JP5207568B1 - Current source inverter device and control method of current source inverter device - Google Patents

Current source inverter device and control method of current source inverter device Download PDF

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Abstract

【課題】電流形インバータのスイッチング素子の制御において、格別な制御を要することなく、転流動作のために通常のスイッチング動作により、スイッチング素子のスイッチング損失を防ぐ。
【解決手段】電流形インバータ装置の転流動作において、転流元のスイッチング素子と転流先のスイッチング素子が共にオン状態となる重なり区間が生成されるようにスイッチング素子の駆動タイミングを制御し、この重なり区間を有するスイッチング素子の制御に基づいて共振回路を制御し、共振回路の共振電流によってスイッチング素子の転流動作時におけるスイッチング損失を低減する。重なり区間を有するスイッチング素子の制御を用いて共振回路の共振電流の生成を制御し、この制御によって生成される共振電流によって、転流時において転流元のスイッチング素子の電流および電圧を零とし、転流動作時のスイッチング損失を低減する。
【選択図】図1
In controlling a switching element of a current source inverter, switching loss of the switching element is prevented by a normal switching operation for commutation operation without requiring special control.
In the commutation operation of the current source inverter device, the drive timing of the switching element is controlled so that an overlapping section is generated in which both the commutation source switching element and the commutation destination switching element are turned on. The resonance circuit is controlled based on the control of the switching element having the overlapping section, and the switching loss during the commutation operation of the switching element is reduced by the resonance current of the resonance circuit. The generation of the resonance current of the resonance circuit is controlled by using the control of the switching element having the overlapping section, and the current and voltage of the switching element at the commutation source are made zero at the time of commutation by the resonance current generated by this control, Reduces switching loss during commutation operation.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、例えば、プラズマ負荷等の負荷に電流を供給する電流形インバータ装置、および電流形インバータ装置の制御方法に関する。   The present invention relates to a current source inverter device that supplies a current to a load such as a plasma load, and a control method for the current source inverter device.

電流形インバータ装置は、直流源に接続した直流リアクトルと、直流リアクトルからの直流電力を交流電力に変換する変換部と、変換部のスイッチング素子を駆動制御する制御部を備え、負荷側から見ると電流源として扱えるため、負荷短絡等の負荷のインピーダンス変動に対して変動を抑制方向に作用するという特徴がある。例えば、プラズマ負荷の場合には、プラズマを維持する方向に作用する。   The current source inverter device includes a direct current reactor connected to a direct current source, a conversion unit that converts direct current power from the direct current reactor into alternating current power, and a control unit that drives and controls the switching element of the conversion unit. Since it can be handled as a current source, it has a feature that it acts in the direction of suppressing the fluctuation of the impedance of the load such as a load short circuit. For example, in the case of a plasma load, it acts in the direction of maintaining the plasma.

電流形インバータ装置は、上記したように負荷が変動した場合であっても負荷への電流供給を安定して行うことができるという有利性から、インピーダンスが状況によって変化するプラズマ負荷への電力供給に適している。   Since the current source inverter device can stably supply current to the load even when the load fluctuates as described above, the current source inverter device can supply power to the plasma load whose impedance varies depending on the situation. Is suitable.

例えば、プラズマが消弧して、プラズマ負荷がオープン状態の方向に変動した場合には、電流形インバータ装置のプラズマ負荷に対する電圧は上昇する。この電圧上昇はプラズマの着火を促す方向であり、着火を容易とする。逆に、プラズマ負荷側にアークが発生しプラズマ負荷がショート状態の方向に変動した場合には、電流形インバータ装置は負荷に対して一定電流を供給するため、プラズマ負荷に対して電流を過剰に供給することが抑えられるため、プラズマ負荷に対するダメージを低減させることができる。   For example, when the plasma is extinguished and the plasma load fluctuates in the open state, the voltage with respect to the plasma load of the current source inverter device increases. This voltage rise is a direction to promote plasma ignition, and facilitates ignition. Conversely, when an arc is generated on the plasma load side and the plasma load fluctuates in the short-circuit direction, the current source inverter device supplies a constant current to the load, so that the current is excessive to the plasma load. Since supply is suppressed, damage to the plasma load can be reduced.

図15は電流形インバータ装置の一構成例を説明するための図である。図15において、電流形インバータ装置100は、電流形降圧チョッパ回路101と3相インバータ回路102と3相変圧器103を備える。電流形降圧チョッパ回路101は、スイッチング素子Q1をチョッパ制御することによって、図示していない交流源および整流回路から入力した直流を降圧し、直流リアクトルLF1で電流平滑して3相インバータ回路102に入力する。   FIG. 15 is a diagram for explaining a configuration example of a current source inverter device. In FIG. 15, the current source inverter device 100 includes a current source step-down chopper circuit 101, a three-phase inverter circuit 102, and a three-phase transformer 103. The current source step-down chopper circuit 101 steps down the direct current input from an AC source and a rectifier circuit (not shown) by chopper-controlling the switching element Q1, and smoothes the current with a direct current reactor LF1 and inputs it to the three-phase inverter circuit 102. To do.

直交変換を行うチョッパ回路は、前記した電流形降圧チョッパ回路101に代えて電流形昇降圧チョッパ回路を用いてもよい。   A chopper circuit that performs orthogonal transformation may use a current source step-up / step-down chopper circuit instead of the current source step-down chopper circuit 101 described above.

3相インバータ回路102は、スイッチング素子Q、Q、Q、Q、Q、Qの点弧、消弧を所定のタイミングで制御することによって、素子間で転流を行い3相変圧器103に交流電力を供給する。The three-phase inverter circuit 102 performs commutation between the elements by controlling ignition and extinction of the switching elements Q R , Q S , Q T , Q X , Q Y , and Q Z at a predetermined timing. AC power is supplied to the phase transformer 103.

電流形インバータ装置は、全てのスイッチング素子が通電電流を遮断すると、直流リアクトルによる電流によってスイッチング素子に過電圧が印加されることで素子破壊が生じるおそれがあり、また、転流時にスイッチング素子に電流や電圧が発生することによって素子破壊が生じるという問題がある。   In the current source inverter device, when all the switching elements cut off the energization current, an overvoltage is applied to the switching elements due to the current generated by the DC reactor, and there is a risk of element destruction. There is a problem that device breakdown occurs due to the generation of voltage.

このような負荷短絡事故によるスイッチング素子の破壊を防止するために、負荷電流を検出して通電期間を求め、この通電期間内においてスイッチング素子を制御する技術や、スイッチング素子に流れる電流を検出し、検出電流に基づいてスイッチング素子を制御する技術が知られている(特許文献1参照)。   In order to prevent the destruction of the switching element due to such a load short circuit accident, the load current is detected to determine the energization period, the technology for controlling the switching element within this energization period, the current flowing through the switching element is detected, A technique for controlling a switching element based on a detected current is known (see Patent Document 1).

この他、電流遮断によるサージ電圧の発生やスイッチング損失の課題に対して、負荷電圧のゼロクロス点において、転流元のスイッチング素子の電流が零となる電流重なり時間を求め、転流先のスイッチング素子を負荷電圧のゼロクロス点より求めた電流重なり時間だけ早い時点で転流を開始させる技術が知られている(特許文献2参照)。   In addition to the problem of surge voltage generation and switching loss due to current interruption, the current overlap time at which the current of the commutation source switching element becomes zero at the zero cross point of the load voltage is obtained, and the commutation destination switching element Is known to start commutation at a time earlier than the current overlap time obtained from the zero cross point of the load voltage (see Patent Document 2).

図16および図17は、図15の回路動作において転流時のスイッチング損失を説明するための図である。図16は、転流元と転流先のスイッチング素子のON状態が重なることなく転流する場合を示している。この例では、スイッチング素子Qを転流元、スイッチング素子Qを転流先とし、それぞれゲートパルス信号GおよびGによってON状態としている(図16(a),(b))。ゲートパルス信号Gの立ち下がりゲートパルス信号Gの立ち上がりは一致しているため、スイッチング素子間は重なることなく転流が行われる。ここで、転流元のスイッチング素子Qに流れる電流IQRおよび電圧VQR(スイッチング素子のドレイン・ソース間電圧)は、図16(c),(e)に示すように、オフ時において配線インダクタンスや素子容量や負荷インダクタンス等による影響で時定数が変化する。そのため、転流時においてZCSおよびZVSとならず、スイッチング損失が発生する。また、サージ電圧が発生して、スイッチング素子の破損につながる。16 and 17 are diagrams for explaining switching loss at the time of commutation in the circuit operation of FIG. FIG. 16 shows a case where the commutation source and the commutation destination switching elements are commutated without overlapping. In this example, the switching element Q R Tenryumoto, the commutation destination switching element Q S, is set to ON state by a gate pulse signal G R and G S, respectively (FIG. 16 (a), (b) ). Since the rise of the falling gate pulse signal G S of the gate pulse signal G R is consistent, between the switching elements commutation is performed without overlapping. Here, the commutation source current I QR and voltage V QR flowing through the switching element Q R (drain-source voltage of the switching element), as shown in FIG. 16 (c), (e), the wiring in the OFF state The time constant changes due to the influence of inductance, element capacity, load inductance, and the like. Therefore, ZCS and ZVS are not generated at the time of commutation, and a switching loss occurs. In addition, a surge voltage is generated, leading to damage to the switching element.

また、転流時において転流元と転流先のスイッチング素子のON状態が重なる重なり区間を設けた場合であっても、図17(c),(e)に示すように、転流時においてZCSおよびZVSとならないため、スイッチング損失が発生する。   Further, even in the case of providing an overlapping section where the ON state of the switching element at the commutation source and the commutation destination overlaps at the time of commutation, as shown in FIGS. Since it does not become ZCS and ZVS, a switching loss occurs.

また、スイッチング損失を低減するソフトスイッチングインバータとして共振形インバータが知られている。   A resonant inverter is known as a soft switching inverter that reduces switching loss.

共振形インバータは、スイッチング素子に転流ダイオードおよび共振用コンデンサを並列接続し、この共振用コンデンサと共振用インダクタンス、および共振回路に接続したスイッチング素子とによって共振回路を構成する。共振回路の共振電流による共振用コンデンサの充放電と転流ダイオードの導通とによって、スイッチング素子のZVS(零電圧スイッチング)、ZCS(零電流スイッチング)を実現している(例えば、特許文献2)。   In the resonant inverter, a commutation diode and a resonance capacitor are connected in parallel to a switching element, and a resonance circuit is configured by the resonance capacitor, a resonance inductance, and a switching element connected to the resonance circuit. ZVS (zero voltage switching) and ZCS (zero current switching) of the switching element are realized by charging / discharging of the resonance capacitor by the resonance current of the resonance circuit and conduction of the commutation diode (for example, Patent Document 2).

また、共振回路は、スイッチング素子に共振用コンデンサを並列接続する構成であるため、コンデンサによって容量が増加するという問題がある。この問題を解決するために、補助スイッチング素子からなる補助回路によって共振回路を形成する構成が提案されている(特許文献3)。   In addition, since the resonance circuit has a configuration in which a resonance capacitor is connected in parallel to the switching element, there is a problem that the capacitance is increased by the capacitor. In order to solve this problem, a configuration in which a resonance circuit is formed by an auxiliary circuit including auxiliary switching elements has been proposed (Patent Document 3).

特開平8−298777号公報JP-A-8-298777 特開2002−325464公報JP 2002-325464 A 特開2004−23881公報JP 2004-23881 A

従来提案されている電流形インバータでは、スイッチング素子の駆動時期を制御してスイッチング損失や素子破壊を防ぐために、例えば、負荷電流やスイッチング素子の電流を検出する必要がある。また、転流元のスイッチング素子の電流が零となる電流重なり時間を検出することによってスイッチング素子を制御する構成においても、電流重なり時間を検出するために負荷電流および負荷電圧を検出する必要がある。   Conventionally proposed current source inverters need to detect, for example, load current and switching element current in order to control switching element driving timing to prevent switching loss and element destruction. Further, even in the configuration in which the switching element is controlled by detecting the current overlap time when the current of the commutation source switching element becomes zero, it is necessary to detect the load current and the load voltage in order to detect the current overlap time. .

そのため、いずれの構成においても、電流や電圧を検出する検出器を設ける必要がある他、検出電流や検出電圧に基づいてスイッチング素子を制御する制御信号を形成する制御回路を、通常のスイッチング素子の動作を制御する制御回路の他に用意する必要があるという問題がある。   Therefore, in any configuration, it is necessary to provide a detector for detecting current and voltage, and a control circuit for generating a control signal for controlling the switching element based on the detected current and detection voltage is provided for a normal switching element. There is a problem that it is necessary to prepare other than the control circuit for controlling the operation.

また、共振型インバータの場合には、スイッチング素子に並列に共振コンデンサを接続する必要がある他、共振回路用のスイッチング素子のための制御信号を形成する制御回路を、通常のスイッチング素子の動作を制御する制御回路の他に用意する必要があるという問題がある。   In the case of a resonant inverter, a resonant capacitor must be connected in parallel to the switching element, and a control circuit that forms a control signal for the switching element for the resonant circuit can be operated as a normal switching element. There is a problem that it is necessary to prepare other than the control circuit to be controlled.

したがって、従来知られている電流形インバータ装置では、転流動作のために通常行うスイッチング動作を制御する他に、スイッチング損失や素子破壊を防ぐためにスイッチング素子を制御することが必要であるという問題があり、通常の転流動作で行うスイッチング素子の動作を制御する制御回路の他に、スイッチング損失や素子破壊を防ぐためにスイッチング素子を制御する制御回路が必要であるという問題がある。   Therefore, in the known current source inverter device, in addition to controlling the switching operation normally performed for the commutation operation, it is necessary to control the switching element in order to prevent switching loss and element destruction. In addition to the control circuit that controls the operation of the switching element performed in a normal commutation operation, there is a problem that a control circuit that controls the switching element is necessary to prevent switching loss and element destruction.

本発明は前記した従来の問題点を解決し、電流形インバータのスイッチング素子の制御において、格別な制御を要することなく、転流動作のために通常のスイッチング動作により、スイッチング素子のスイッチング損失を防ぐことを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems and prevents switching loss of the switching element by a normal switching operation for commutation operation without requiring special control in the control of the switching element of the current source inverter. For the purpose.

本発明は、電流形インバータ装置の転流動作において、転流元のスイッチング素子と転流先のスイッチング素子が共にオン状態となる転流の重なり区間の生成において、負荷電流の変動に対して十分な重なり時間が得られるように、重なりの時間幅(位相幅)を予め設定した固定した転流の重なり区間を設ける。ここで、固定とは、転流の重なり区間の時間幅(位相幅)が負荷電流の変動にかかわらず設定した幅であることを意味している。転流の重なり区間の設定は、スイッチング素子の駆動タイミングを制御する。スイッチング素子の転流の重なり区間での駆動タイミング制御によって共振回路を制御し、共振回路の共振電流によってスイッチング素子の転流動作時におけるスイッチング損失を低減する。   In the commutation operation of the current source inverter device, the present invention is sufficient for the fluctuation of the load current in the generation of the commutation overlap section in which both the commutation source switching element and the commutation destination switching element are turned on. In order to obtain a proper overlap time, a commutation overlap section in which the overlap time width (phase width) is set in advance is provided. Here, “fixed” means that the time width (phase width) of the commutation overlap section is set regardless of the load current fluctuation. The setting of the commutation overlap section controls the drive timing of the switching element. The resonance circuit is controlled by driving timing control in the commutation overlap section of the switching element, and the switching loss during the commutation operation of the switching element is reduced by the resonance current of the resonance circuit.

本発明の電流形インバータ装置およびインバータ制御によれば、転流時におけるスイッチング素子の駆動タイミングのみを変え、転流元と転流先のスイッチング素子が共にオン状態となる転流の重なり区間の生成において、負荷電流が変動した場合であっても、重なり時間幅(位相分)が十分に得られるように予め設定しておくと共に、転流の重なり区間におけるスイッチング素子の制御によって共振回路に共振電流を流し、共振電流によってスイッチング損失を低減する。   According to the current source inverter device and the inverter control of the present invention, only the drive timing of the switching element at the time of commutation is changed, and the commutation overlapping section in which both the commutation source and the commutation destination switching elements are turned on is generated. In this case, even when the load current fluctuates, it is set in advance so that a sufficient overlap time width (phase) can be obtained, and the resonance current is supplied to the resonance circuit by controlling the switching element in the commutation overlap section. The switching loss is reduced by the resonance current.

この転流の重なり区間における共振電流を用いることによって、従来知られる電流形インバータ装置のように、転流動作のために通常行うスイッチング動作制御に加えて、スイッチング損失を防ぐためのスイッチング素子の制御は不要であり、また、通常の転流動作で行うスイッチング素子の動作を制御する制御回路に加えて、スイッチング損失を防ぐための制御回路は不要である。   By using the resonance current in the commutation overlapping section, the switching element control for preventing the switching loss is performed in addition to the switching operation control normally performed for the commutation operation as in the conventional current source inverter device. Is unnecessary, and in addition to the control circuit for controlling the operation of the switching element performed in the normal commutation operation, the control circuit for preventing the switching loss is unnecessary.

本願発明は、単に、転流元と転流先のスイッチング素子が共にオン状態となる重なり区間を生成することによってスイッチング素子のスイッチング損失を低減するものではなく、重なり区間を有するスイッチング素子の制御を用いて共振回路の共振電流の生成を制御し、この制御によって生成される共振電流によって、転流時において転流元のスイッチング素子の電流および電圧を零とし、転流動作時のスイッチング損失を低減するものである。   The present invention does not simply reduce the switching loss of the switching element by generating an overlapping section in which both the commutation source and the commutation destination switching elements are in the ON state, but controls the switching element having the overlapping section. To control the generation of resonance current of the resonance circuit, and the resonance current generated by this control makes the current and voltage of the switching element at the commutation zero during the commutation, thereby reducing the switching loss during the commutation operation. To do.

本願発明は、電流形インバータ装置の態様と、電流形インバータ装置の制御方法の態様を備える。   The present invention includes an aspect of a current source inverter device and an aspect of a control method of the current source inverter device.

[電流形インバータ装置の態様]
本願発明の電流形インバータ装置は、直流源を構成する電流形チョッパ部と、電流形チョッパ部の直流出力を複数のスイッチング素子の動作により多相の交流電力に変換する多相インバータ部と、電流形チョッパ部および多相インバータ部を制御する制御部と、多相インバータ部のスイッチング素子に共振電流を供給する共振回路を備える。
[Mode of current source inverter device]
The current source inverter device of the present invention includes a current source chopper unit that constitutes a DC source, a multi-phase inverter unit that converts the DC output of the current source chopper unit into multi-phase AC power by operation of a plurality of switching elements, A control unit that controls the chopper unit and the multiphase inverter unit, and a resonance circuit that supplies a resonance current to the switching element of the multiphase inverter unit are provided.

制御部は、多相インバータ部のスイッチング素子間の転流時において、転流先と転流元のスイッチング素子の駆動タイミングを制御する。このスイッチング素子の駆動タイミングを制御することによって、転流先のスイッチング素子と転流元のスイッチング素子が共にオン状態となる重なり区間を生成すると共に、共振回路の共振電流を制御する。   The control unit controls the drive timing of the commutation destination and the commutation source switching element during commutation between the switching elements of the multiphase inverter unit. By controlling the drive timing of the switching element, an overlapping section in which both the commutation destination switching element and the commutation source switching element are turned on is generated, and the resonance current of the resonance circuit is controlled.

共振回路の共振電流は、重なり区間において、転流元のスイッチング素子に対して逆バイアス方向に供給し、スイッチング素子に逆並列接続された転流ダイオードに対して順バイアス方向に供給する。この共振電流のスイッチング素子および転流ダイオードに供給することによって、転流元のスイッチング素子を重なり区間において零電流および零電圧とし、転流元のスイッチング素子がオン状態からオフ状態へ切り替わる時点における転流動作を零電流および零電圧で行う。   In the overlapping section, the resonance current of the resonance circuit is supplied in the reverse bias direction to the switching element that is the commutation source, and is supplied in the forward bias direction to the commutation diode that is connected in reverse parallel to the switching element. By supplying this resonant current to the switching element and the commutation diode, the commutation source switching element is set to zero current and zero voltage in the overlap section, and the commutation source switching element is switched from the on state to the off state. Flow operation at zero current and zero voltage.

本願発明の電流形インバータ装置および制御方法は、直流電力を3相の交流電力に変換する3相インバータに限らず、直流電力を二相以上の任意の多相の交流電力に変換する多相インバータに適用することができる。   The current source inverter device and the control method of the present invention are not limited to a three-phase inverter that converts DC power into three-phase AC power, but a multi-phase inverter that converts DC power into any multi-phase AC power of two or more phases Can be applied to.

本願発明の共振回路は、転流先のスイッチング素子の出力を共振電流の供給源とし、重なり区間において、転流元のスイッチング素子がオフ状態となる前に、転流先のスイッチング素子をオン状態とすることによって、転流先のスイッチング素子に流れる順方向の電流を共振回路に導入して共振電流を生成する。   The resonance circuit of the present invention uses the output of the commutation destination switching element as the resonance current supply source, and in the overlapping section, the commutation destination switching element is turned on before the commutation source switching element is turned off. Thus, a forward current flowing through the switching element at the commutation destination is introduced into the resonant circuit to generate a resonant current.

本発明の共振回路は、多相インバータ部が変換する交流電力の相数と同数の電流供給端子を備える。各電流供給端子を、多相インバータ部を形成するスイッチング素子のブリッジ構成において相対するスイッチング素子の各接続端子に接続する。   The resonance circuit of the present invention includes the same number of current supply terminals as the number of phases of AC power converted by the multiphase inverter unit. Each current supply terminal is connected to each connection terminal of the switching element which opposes in the bridge structure of the switching element which forms a multiphase inverter part.

多相インバータ部のスイッチング素子間の転流時において、転流先のスイッチング素子に接続された電流供給端子から共振回路内に電流を導入し共振電流を生成する。共振回路で生成された共振電流は、転流元にスイッチング素子に接続された電流供給端子から転流元のスイッチング素子に供給する。共振回路から転流元のスイッチング素子に供給された電流は、転流元のスイッチング素子対してスイッチング素子の逆バイアス方向に導入される。   At the time of commutation between the switching elements of the multiphase inverter unit, a current is introduced into the resonance circuit from a current supply terminal connected to the switching element at the commutation destination to generate a resonance current. The resonance current generated by the resonance circuit is supplied to the commutation source switching element from a current supply terminal connected to the switching element at the commutation source. The current supplied from the resonance circuit to the commutation source switching element is introduced in the reverse bias direction of the switching element with respect to the commutation source switching element.

転流元のスイッチング素子に導入された共振電流は、転流元のスイッチング素子に流れる順方向電流と逆方向であるため順方向電流を相殺し、転流元のスイッチング素子に流れる電流を零電流とする。   Since the resonance current introduced into the commutation source switching element is in the opposite direction to the forward current flowing through the commutation source switching element, the forward current is canceled out and the current flowing through the commutation source switching element is zero current. And

さらに、共振電流は転流ダイオードに流れることによって転流元のスイッチング素子の電圧を零電圧とする。この転流元のスイッチング素子の零電流状態および零電圧状態は、重なり区間において継続され、転流元のスイッチング素子がオン状態からオフ状態に切り替わりは零電流状態および零電圧状態で行われ、ZCSおよびZCSによる転流が行われる。 Further, the resonance current flows through the commutation diode, thereby setting the voltage of the switching element at the commutation source to zero voltage. The zero current state and the zero voltage state of the commutation source switching element are continued in the overlapping section, and the commutation source switching element is switched from the on state to the off state in the zero current state and the zero voltage state. And commutation by ZCS is performed.

本願発明の共振回路の回路構成は、例えば、電流供給端が形成する各端子間にそれぞれLC直列回路を備える構成とすることができる。LC直列回路は、多相インバータ部のスイッチング素子間の転流時において、転流先のスイッチング素子の順電流を入力して共振電流を生成し、生成した共振電流を転流元のスイッチング素子の逆バイアス方向に供給する。   The circuit configuration of the resonance circuit of the present invention can be configured to include an LC series circuit between the terminals formed by the current supply terminals, for example. The LC series circuit generates a resonance current by inputting the forward current of the switching element at the commutation destination during commutation between the switching elements of the multi-phase inverter unit, and generates the resonance current of the switching element of the commutation source. Supply in reverse bias direction.

本願発明の多相インバータ部が直流電力をn相の交流電力に変換する場合には、共振回路は、共振電流が次にオン状態となる他のスイッチング素子に流れないために、共振回路を構成するLC直列回路のリアクタンスLおよびキャパシタンスCは(L×C)1/2>π/nの条件を満たすものとする。多相インバータ部が3相インバータ回路である場合では、LC直列回路のリアクタンスLおよびキャパシタンスCが満たすべき条件は(L×C)1/2>π/3である。When the multiphase inverter unit of the present invention converts DC power to n-phase AC power, the resonance circuit is configured so that the resonance current does not flow to the other switching elements that are turned on next. It is assumed that the reactance L and capacitance C of the LC series circuit satisfy the condition of (L × C) 1/2 > π / n. When the multiphase inverter unit is a three-phase inverter circuit, the condition that the reactance L and the capacitance C of the LC series circuit should satisfy (L × C) 1/2 > π / 3.

リアクタンスLおよびキャパシタンスCがこの条件を満たす場合には、共振電流の半波長に相当する位相分は、次のスイッチング素子がオン状態となる前に減衰し、共振電流による影響を防ぐことができる。   When the reactance L and the capacitance C satisfy this condition, the phase corresponding to the half wavelength of the resonance current is attenuated before the next switching element is turned on, and the influence of the resonance current can be prevented.

また、本願発明の多相インバータ部が直流電力をn相の交流電力に変換する場合において、重なり区間の位相分θtは、スイッチング素子間の短絡を防ぐための条件としてπ/2n>θtを満たすものとする。   Further, when the multiphase inverter unit of the present invention converts DC power into n-phase AC power, the phase component θt in the overlapping section satisfies π / 2n> θt as a condition for preventing a short circuit between the switching elements. Shall.

重なり区間の位相分θtがπ/2n>θtの条件を満たすことによって、インバータのブリッジ構成において直流電力の上下間で対向する二つのスイッチング素子間の短絡を防ぐことができる。多相インバータが3相インバータである場合には、重なり区間の位相分θtが満たすべき条件はπ/6>θtである。   By satisfying the condition that the phase θt of the overlapping section satisfies π / 2n> θt, it is possible to prevent a short circuit between the two switching elements facing each other between the upper and lower sides of the DC power in the inverter bridge configuration. When the multiphase inverter is a three-phase inverter, the condition to be satisfied by the phase component θt of the overlapping section is π / 6> θt.

また、重なり区間内において転送元のスイッチング素子に流れる順方向電流を零に減少させるための条件としてsin(θt)>(多相インバータ部の相電流/共振電流の最大ピーク値)を満たすものとする。   In addition, as a condition for reducing the forward current flowing through the transfer source switching element to zero in the overlap section, it satisfies sin (θt)> (phase current of resonant circuit current / maximum peak value of resonance current). To do.

この条件を満たすことによって、重なり区間内において転流元のスイッチング素子に流れる順方向の電流を零とすることができる。   By satisfying this condition, the forward current flowing through the commutation source switching element in the overlapping section can be made zero.

sin(θt)>(多相インバータ部の相電流/共振電流の最大ピーク値)の条件から、共振回路の共振電流の最大ピーク値は、多相インバータ部の各相の相電流値よりも大となるように設定する。   From the condition of sin (θt)> (phase current of the multiphase inverter part / maximum peak value of the resonance current), the maximum peak value of the resonance current of the resonance circuit is larger than the phase current value of each phase of the multiphase inverter part. Set to be.

[電流形インバータ装置の制御方法の態様]
本願発明の電流形インバータ装置の制御方法は、電流形チョッパ部の直流出力を、多相インバータ部が有する複数のスイッチング素子の動作により多相の交流電力に変換する電流形インバータ装置の制御方法である。多相インバータ部のスイッチング素子間の転流時において、転流先と転流元のスイッチング素子の駆動タイミングを制御することによって、転流先のスイッチング素子と転流元のスイッチング素子が共にオン状態となる重なり区間の生成、および、共振電流を制御する。
[Mode of control method of current source inverter device]
The control method of the current source inverter device of the present invention is a control method of the current source inverter device that converts the DC output of the current source chopper unit into multiphase AC power by the operation of a plurality of switching elements of the multiphase inverter unit. is there. At the time of commutation between the switching elements of the multiphase inverter unit, by controlling the drive timing of the commutation destination and the commutation source switching element, both the commutation destination switching element and the commutation source switching element are turned on. The generation of the overlapping section and the resonance current are controlled.

重なり区間において、共振電流を転流元のスイッチング素子に対して逆バイアス方向に供給し、このスイッチング素子に逆並列接続された転流ダイオードに対して順バイアス方向に供給する。この電流供給によって、転流元のスイッチング素子を重なり区間において零電流および零電圧とし、転流元のスイッチング素子がオン状態からオフ状態へ切り替わる時点における転流動作を零電流および零電圧で行う。   In the overlapping section, the resonance current is supplied to the commutation source switching element in the reverse bias direction, and is supplied to the commutation diode connected in reverse parallel to the switching element in the forward bias direction. With this current supply, the commutation source switching element is set to zero current and zero voltage in the overlapping section, and the commutation operation at the time when the commutation source switching element switches from the on state to the off state is performed with zero current and zero voltage.

多相インバータ部はスイッチング素子のブリッジ構成と、ブリッジ構成において相対するスイッチング素子の接続端子間に接続した共振回路とを備える。スイッチング素子間の転流時において、転流先のスイッチング素子への電流を前記共振回路に導入して共振電流を生成し、重なり区間において生成した共振電流を転流元のスイッチング素子に対して当該スイッチング素子の逆バイアス方向に供給する。   The multiphase inverter unit includes a bridge configuration of switching elements and a resonance circuit connected between connection terminals of the switching elements facing each other in the bridge configuration. At the time of commutation between switching elements, a current to the switching element at the commutation destination is introduced into the resonance circuit to generate a resonance current, and the resonance current generated in the overlapping section is applied to the switching element at the commutation source. Supply in the reverse bias direction of the switching element.

多相インバータ部は直流電力をn相の交流電力に変換するインバータとするとき、スイッチング素子間の短絡を防ぐための条件として、重なり区間の位相分θtが満たす条件は、π/2n>θtである。多相インバータ部が3相インバータ回路である場合には、重なり区間の位相分θtが満たす条件は、π/6>θtである。   When the multiphase inverter unit is an inverter that converts DC power into n-phase AC power, the condition that the phase component θt of the overlapping section satisfies as a condition for preventing a short circuit between the switching elements is π / 2n> θt. is there. When the multiphase inverter section is a three-phase inverter circuit, the condition that the phase component θt of the overlapping section satisfies is π / 6> θt.

また、重なり区間内において転送元のスイッチング素子に流れる順方向電流を零に減少させるための条件は、sin(θt)>(多相インバータ部の相電流/共振電流の最大ピーク値)である。   In addition, the condition for reducing the forward current flowing through the transfer source switching element to zero in the overlapping section is sin (θt)> (phase current of the multiphase inverter unit / maximum peak value of the resonance current).

この条件を満たすことによって、重なり区間内において転流元のスイッチング素子に流れる順方向の電流を零とすることができる。   By satisfying this condition, the forward current flowing through the commutation source switching element in the overlapping section can be made zero.

sin(θt)>(多相インバータ部の相電流/共振電流の最大ピーク値)の条件から、共振回路の共振電流の最大ピーク値は、多相インバータ部の各相の相電流値よりも大となるように設定する。   From the condition of sin (θt)> (phase current of the multiphase inverter part / maximum peak value of the resonance current), the maximum peak value of the resonance current of the resonance circuit is larger than the phase current value of each phase of the multiphase inverter part. Set to be.

以上説明したように、本発明の電流形インバータ装置および電流形インバータ装置の制御方法によれば、電流形インバータのスイッチング素子の制御において、格別な制御を要することなく、転流動作のために通常のスイッチング動作により、スイッチング損失を防ぐことができる。   As described above, according to the current source inverter device and the control method of the current source inverter device of the present invention, the control of the switching element of the current source inverter is usually performed for the commutation operation without requiring special control. Switching loss can prevent switching loss.

本発明の電流形インバータ装置の構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structural example of the current source inverter apparatus of this invention. 本発明の電流形インバータ装置の他の構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the other structural example of the current source inverter apparatus of this invention. 本発明電流形インバータ装置の概略構成図および動作図である。It is a schematic block diagram and operation | movement figure of this invention current source inverter apparatus. 本発明の電流形インバータ装置のスイッチング素子の転流状態を説明するためのタイミングチャートである。It is a timing chart for demonstrating the commutation state of the switching element of the current source inverter apparatus of this invention. 本発明のインバータ回路および共振回路の構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the example of a structure of the inverter circuit and resonance circuit of this invention. 本発明のスイッチング素子の駆動を説明するためのタイミングチャートである。It is a timing chart for demonstrating the drive of the switching element of this invention. 本発明の共振電流を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the resonance current of this invention. 本発明の共振回路を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the resonance circuit of this invention. 本発明の重なり区間および共振回路の条件を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the condition of the overlap area and resonance circuit of this invention. 本発明のスイッチング素子の転流状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the commutation state of the switching element of this invention. 本発明のインバータ回路および共振回路の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of the inverter circuit and resonance circuit of this invention. 本発明のインバータ回路および共振回路の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of the inverter circuit and resonance circuit of this invention. 本発明のインバータ回路および共振回路の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of the inverter circuit and resonance circuit of this invention. 本発明のインバータ回路および共振回路の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of the inverter circuit and resonance circuit of this invention. 電流形インバータ装置の一構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one structural example of a current source inverter apparatus. インバータにおいて転流時のスイッチング損失を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the switching loss at the time of a commutation in an inverter. インバータにおいて転流時のスイッチング損失を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the switching loss at the time of a commutation in an inverter.

発明の実施するための形態BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下では、本発明の電流形インバータ装置および電流形インバータ装置の制御方法について、図1、図2を用いて電流形インバータ装置の構成例を説明し、図3、図4を用いて電流形インバータ装置の制御例について説明する。また、図5〜図13を用いて本発明のインバータ回路および共振回路について説明する。ここでは、多相インバータとして3相インバータを例として示している。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following, the current source inverter device and the control method of the current source inverter device of the present invention will be described with reference to FIG. 1 and FIG. 2, and a configuration example of the current source inverter device will be described. An example of device control will be described. The inverter circuit and the resonance circuit of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, a three-phase inverter is shown as an example of the multiphase inverter.

[電流形インバータ装置の構成例]
はじめに、本発明の電流形インバータ装置の構成例について図1,図2を用いて説明する。
[Configuration example of current source inverter device]
First, a configuration example of the current source inverter device of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1に示す本発明の電流形インバータ装置1は、交流電源2の交流電力を整流する整流部10、過渡的に生じる高電圧を抑制する保護回路を構成するスナバー部20、整流部10から入力した直流電力の電圧を所定電圧に変換して直流電流を出力する電流形降圧チョッパ部30、電流形降圧チョッパ部30の直流出力を多相の交流出力に変換する多相インバータ部40、多相インバータ部40の交流出力を所定電圧に変換する多相変圧部50、多相変圧部50の交流を直流に変換する多相整流部60を備える。   The current source inverter device 1 of the present invention shown in FIG. 1 is input from a rectifying unit 10 that rectifies AC power of an AC power supply 2, a snubber unit 20 that forms a protection circuit that suppresses transiently generated high voltage, and a rectifying unit 10. A current source step-down chopper unit 30 that converts the voltage of the DC power into a predetermined voltage and outputs a DC current, a multi-phase inverter unit 40 that converts the DC output of the current source step-down chopper unit 30 into a multi-phase AC output, A multiphase transformer 50 that converts the AC output of the inverter 40 into a predetermined voltage, and a multiphase rectifier 60 that converts the AC of the multiphase transformer 50 into DC.

直交変換を行うチョッパ部は、前記した電流形降圧チョッパ部30に代えて電流形昇降圧チョッパ部を用いてもよい。   A chopper unit that performs orthogonal transformation may use a current source step-up / step-down chopper unit instead of the current source step-down chopper unit 30 described above.

電流形降圧チョッパ部30は、スイッチング素子QとダイオードDと直流リアクトルLF1とを備える。スイッチング素子Qは、整流部10で整流した直流電圧をチョッパ制御することによって降圧する。直流リアクトルLF1は、チョッパ制御した直流を電流平滑して多相インバータ部40に入力する。Current-step-down chopper 30, and a DC reactor L F1 and switching element Q 1, a diode D 1. The switching element Q 1 is, steps down by chopper controlling the DC voltage rectified by the rectifier unit 10. The direct current reactor L F1 smoothes the chopper-controlled direct current and inputs it to the multiphase inverter unit 40.

制御回路部80は、電流形降圧チョッパ部30のチョッパ電流、および電流形インバータ装置1の出力電圧の検出値を入力し、所定電流および所定の出力電圧となるようにスイッチング素子Qをチョッパ制御する。The control circuit 80, a chopper current of the current-step-down chopper unit 30, and inputs a detection value of the output voltage of the current source inverter device 1, the chopper control of the switching element Q 1 so that a predetermined current and a predetermined output voltage To do.

図2に示す本発明の電流形インバータ装置1は、電流形降圧チョッパ部30を別の構成例とする例である。図2に示す電流形降圧チョッパ部30は、出力端に出力コンデンサCF1を並列接続する構成である。The current source inverter device 1 of the present invention shown in FIG. 2 is an example in which the current source step-down chopper unit 30 is another configuration example. The current source step-down chopper unit 30 shown in FIG. 2 has a configuration in which an output capacitor CF1 is connected in parallel to the output end.

図2に示す構成では、通常電流形降圧チョッパでは設けない出力コンデンサを設置する。電流形降圧チョッパ部30の出力端に出力コンデンサCF1を接続する構成とすることによって、多相インバータ部40のスイッチング素子間で転流動作を行う際に発生するサージ電圧や、各スイッチング素子に直列接続されたインダクタンスのエネルギーを吸収して、スイッチング素子を保護することができる。In the configuration shown in FIG. 2, an output capacitor that is not provided in a normal current source step-down chopper is provided. By configuring the output capacitor C F1 to be connected to the output terminal of the current source step-down chopper unit 30, a surge voltage generated when performing a commutation operation between the switching elements of the multiphase inverter unit 40, and each switching element The switching element can be protected by absorbing the energy of the inductance connected in series.

なお、出力コンデンサCF1の値は、この出力コンデンサおよび配線インダクタンスによる時定数によって電流の遅延がインバータ動作の転流に影響を与えない程度に設定する。The value of the output capacitor C F1 is set to such an extent that the current delay does not affect the commutation of the inverter operation due to the time constant due to the output capacitor and the wiring inductance.

多相インバータ部40は、相数に応じたスイッチング素子をブリッジ接続して構成される多相インバータ回路を備える。例えば3相の場合には、3相インバータ回路は6個のスイッチング素子によって構成される。スイッチング素子は、例えば、IGBTやMOSFET等の半導体スイッチング素子を用いることができる。多相インバータ回路の各スイッチング素子は、スイッチング制御部81の制御信号に基づいてスイッチング動作を行い、直流電力を交流電力に変換して出力する。   The polyphase inverter unit 40 includes a polyphase inverter circuit configured by bridge-connecting switching elements corresponding to the number of phases. For example, in the case of three phases, the three-phase inverter circuit is composed of six switching elements. As the switching element, for example, a semiconductor switching element such as an IGBT or a MOSFET can be used. Each switching element of the multiphase inverter circuit performs a switching operation based on the control signal of the switching control unit 81, converts DC power into AC power, and outputs the AC power.

多相インバータ部40は共振回路70を備え、この共振回路70で生成した共振電流を多相インバータ回路の転流状態のスイッチング素子に導入し、当該スイッチング素子の転流を零電流および零電圧の状態で行う。本発明の共振回路70は、多相インバータ回路の各スイッチング素子の転流動作に同期して共振電流を生成し、転流元のスイッチング素子に共振電流を導入し、当該転流元のスイッチング素子の転流動作をZCS(零電流スイッチング)およびZVS(零電圧スイッチング)の状態で行う。   The multi-phase inverter unit 40 includes a resonance circuit 70, and introduces the resonance current generated by the resonance circuit 70 into a switching element in a commutation state of the multi-phase inverter circuit. The commutation of the switching element is performed with zero current and zero voltage. Do in state. The resonance circuit 70 of the present invention generates a resonance current in synchronization with the commutation operation of each switching element of the multiphase inverter circuit, introduces the resonance current into the commutation source switching element, and the commutation source switching element. Are commutated in a state of ZCS (zero current switching) and ZVS (zero voltage switching).

多相インバータ部40の交流出力は、スイッチング素子の切り換え周波数を高めることで高周波出力を得ることができる。プラズマ発生装置を負荷部とする場合には、電流形インバータ装置は、例えば200KHzの高周波出力を負荷部に供給する。高周波出力とするために、多相インバータ回路はスイッチング素子を高周波で切り換え動作を行う。このように、高周波の駆動周波数でスイッチング素子を切り換えると、交流出力には高周波リップル成分が含まれる。   The AC output of the polyphase inverter unit 40 can obtain a high frequency output by increasing the switching frequency of the switching element. When the plasma generator is used as the load unit, the current source inverter device supplies a high frequency output of, for example, 200 kHz to the load unit. In order to obtain a high-frequency output, the multi-phase inverter circuit performs a switching operation of the switching element at a high frequency. As described above, when the switching element is switched at a high frequency, the AC output includes a high frequency ripple component.

多相整流部60は、多相インバータ部40の交流出力に含まれる高周波リップル成分が除去する一構成例として、通常の多相整流回路と同様に出力部に直流フィルタ回路を設ける。直流フィルタ回路は、出力端に並列接続した出力コンデンサCFOと直列接続した出力リアクトルLFOによって構成することができる。The polyphase rectification unit 60 is provided with a DC filter circuit in the output unit as an example of a configuration that removes the high-frequency ripple component included in the AC output of the polyphase inverter unit 40 in the same manner as an ordinary polyphase rectification circuit. DC filter circuit can be configured by the output reactor L FO connected to the output capacitor C FO in parallel connected in series to the output terminal.

電流形インバータ装置1は、上記した直流フィルタ回路に要することなく、多相整流部60の直流出力を配線が備える配線インダクタンスL0を介して出力し、電流形インバータ装置1とプラズマ負荷となるプラズマ発生装置4との間を出力ケーブル3で接続する構成とすることができ、高周波リップル成分を除去する構成として、電流形インバータ装置の寄生インピーダンスを利用することができる。 The current source inverter device 1 outputs the direct current output of the multiphase rectification unit 60 via the wiring inductance L0 provided in the wiring without being required for the above-described direct current filter circuit, and generates plasma that becomes a plasma load with the current source inverter device 1 The output cable 3 can be connected to the device 4, and the parasitic impedance of the current source inverter device can be used as a configuration for removing the high frequency ripple component.

例えば、多相整流部60と出力端子との間の配線インピーダンス90が有するインダクタンス、および電流形インバータ装置1と負荷との間に接続される出力ケーブルに含まれるインダクタンスLFOの容量や、プラズマ負荷の場合にはプラズマ発生装置4の電極容量C0によって直流フィルタ回路と同様の高周波分を除去するフィルタ回路を構成し、高周波リップル分を低減する。 For example, the inductance of the wiring impedance 90 between the multiphase rectifier 60 and the output terminal, the capacitance of the inductance LFO included in the output cable connected between the current source inverter device 1 and the load, and the plasma load In this case, a filter circuit that removes a high frequency component similar to that of the DC filter circuit is configured by the electrode capacitance C0 of the plasma generator 4 to reduce the high frequency ripple component.

電流形インバータ装置をプラズマ発生装置への電力供給源とする場合、負荷側のプラズマ発生装置4でアークが発生した時には負荷が短絡したと見なすことができ、電流形インバータ装置側に備える直流フィルタ回路の出力コンデンサCFOからはアークエネルギーPcが供給される。 When the current source inverter device is used as a power supply source to the plasma generator, the load can be regarded as a short circuit when an arc is generated in the plasma generator 4 on the load side, and a DC filter circuit provided on the current source inverter device side. The arc energy Pc is supplied from the output capacitor CFO.

このとき、出力コンデンサCFOから出力されるアークエネルギーPcは以下の式(1)で表すことができる。
Pc=1/2×CFO×V +1/2×(LFO+L)×I …(1)
At this time, arc energy Pc outputted from the output capacitor C FO can be expressed by the following equation (1).
Pc = 1/2 × C FO × V O 2 + 1/2 × (L FO + L O) × I O 2 ... (1)

プラズマ発生装置4のアークエネルギーPcは、出力1kW当たり1mJ以下が望ましい。これは、通常、インダクタンスLFO,Lは小さな値を示すため、インダクタンスLFO,Lのエネルギー(LFO+L)×I には1mJ/kWに対して無視することができる。なお、1mJ/kWは出力1kW当たりのmJ単位のエネルギーを表し、出力100kWに対するエネルギーは100mJである。したがって、プラズマ発生装置4のアークエネルギーPcが1mJ以下である場合には、出力コンデンサCFO値は、式(1)のPcを1mJとして得られるCFOの値以上の値を選定することで、アークエネルギーPcに影響を与えることはない。The arc energy Pc of the plasma generator 4 is preferably 1 mJ or less per 1 kW of output. This is because the inductances L FO and L O usually show a small value, and the energy (L FO + L O ) × I O 2 of the inductances L FO and L O can be ignored for 1 mJ / kW. Note that 1 mJ / kW represents energy in mJ per 1 kW output, and the energy for 100 kW output is 100 mJ. Therefore, when the arc energy Pc of the plasma generator 4 is less than 1mJ, the output capacitor C FO value, by selecting a value or values of C FO obtained as 1mJ the Pc of the formula (1), The arc energy Pc is not affected.

したがって、電流形インバータ装置において、直列フィルタ回路に代えて、配線インピーダンスや出力ケーブルやプラズマ発生装置の電極容量の寄生インピーダンスを利用する構成では、出力コンデンサCFOに相当する容量分がアークエネルギーPcを供給するに十分な大きさを有していれば、高周波リップル成分を除去するとともに、アークエネルギーPcを供給することができる。Accordingly, the current source inverter device, instead of the series filter circuits, the configuration using the parasitic impedance of the electrode capacitance of the wiring impedance and output cables and a plasma generator, capacitance component corresponding to the output capacitor C FO is the arc energy Pc If it is large enough to be supplied, the high-frequency ripple component can be removed and the arc energy Pc can be supplied.

また、高周波リップル分は、多相インバータ回路の駆動周波数を下げると増加する特性がある。そのため、多相インバータ回路の駆動周波数を高めることによって、出力コンデンサCFOおよび出力リアクトルLFOの必要性を低下させることができる。また、多相インバータ回路の駆動周波数を高めることによって、電流形インバータ装置1が内部に保有するエネルギーを抑制することができる。Further, the high-frequency ripple component has a characteristic that increases when the driving frequency of the multiphase inverter circuit is lowered. Therefore, by increasing the driving frequency of the polyphase inverter circuit, the need for output capacitors C FO and output reactor L FO can be reduced. Further, by increasing the drive frequency of the multiphase inverter circuit, it is possible to suppress the energy held in the current source inverter device 1 inside.

[電流形インバータ装置の転流動作例]
次に、本発明の電流形インバータ装置における転流動作例について図3,図4を用いて、3相インバータの例に基づいて説明する。
[Example of commutation operation of current source inverter device]
Next, an example of commutation operation in the current source inverter device of the present invention will be described based on an example of a three-phase inverter with reference to FIGS.

図3は電流形インバータ装置の概略構成図および動作図であり、図4は電流形インバータ装置のスイッチング素子の転流状態を説明するタイミングチャートである。なお、図3において、素子および配線に流れる電流状態を濃淡で示し、導通状態を濃い表示で示し、非導通状態を淡い表示で示している。   FIG. 3 is a schematic configuration diagram and an operation diagram of the current source inverter device, and FIG. 4 is a timing chart for explaining a commutation state of the switching element of the current source inverter device. In FIG. 3, the state of current flowing through the element and the wiring is shown by shading, the conduction state is shown by dark display, and the non-conduction state is shown by light display.

図3に示す電流形インバータ装置は、6個のスイッチング素子Q、Q、Q、Q、Q、Qをブリッジ接続してなり、スイッチング素子Qとスイッチング素子Qとを直列接続し、スイッチング素子Qとスイッチング素子Qとを直列接続し、スイッチング素子Qとスイッチング素子Qとを直列接続する。Current source inverter system shown in FIG. 3, six switching elements Q R, Q S, Q T , Q X, Q Y, will be a Q Z bridge connection, a switching element Q R and the switching element Q x The switching element Q S and the switching element Q Y are connected in series, and the switching element Q T and the switching element Q z are connected in series.

スイッチング素子Qとスイッチング素子Qの接続点は、インダクタンスLm1を介して3相変圧器51のR相分として接続され、スイッチング素子Qとスイッチング素子Qの接続点は、インダクタンスLm2を介して3相変圧器51のS相分として接続され、スイッチング素子Qとスイッチング素子Q 接続点は、インダクタンスLm3を介して3相変圧器51のT相分として接続される。 A connection point between the switching element Q R and the switching element Q x is connected as an R phase component of the three-phase transformer 51 via an inductance L m1 , and a connection point between the switching element Q S and the switching element Q Y is an inductance L m2. It is connected as S-phase of the three-phase transformer 51 via a connection point of the switching element Q T and the switching element Q Z are connected as T-phase of the three-phase transformer 51 via an inductance L m3.

また、スイッチング素子Qとスイッチング素子Qの接続点、スイッチング素子Qとスイッチング素子Qの接続点、およびスイッチング素子Q とスイッチング素子Qの接続点はそれぞれ共振回路の各端子に接続され、共振回路から共振電流が供給される。 The connection, the connection point of the switching element Q R and the switching element Q x, the connection point of the switching elements Q S and the switching element Q Y, and the terminals of each resonant circuit connection point of the switching element Q T and the switching element Q Z Then, a resonance current is supplied from the resonance circuit.

図4のタイミングチャートは、スイッチング素子Qとスイッチング素子Qとの間の転流動作例を示している。ここでは、スイッチング素子Qを転流元のスイッチング素子とし、スイッチング素子Qを転流先のスイッチング素子としている。The timing chart of FIG. 4 shows a rolling flow Sample images between the switching element Q R and the switching element Q S. Here, the switching element Q R is the commutation source of the switching element, and a switching element Q S and commutation destination switching element.

本発明の電流形インバータ装置では、転流元のスイッチング素子と転流先のスイッチング素子が共にオン状態となる重なり区間が生成されるように転流動作を制御するとともに、この転流動作に同期して共振回路の共振電流を制御し、転流元のスイッチング素子に供給する。   In the current source inverter device of the present invention, the commutation operation is controlled so that an overlapping section is generated in which both the commutation source switching element and the commutation destination switching element are turned on, and the commutation operation is synchronized with the commutation operation. Thus, the resonance current of the resonance circuit is controlled and supplied to the switching element of the commutation source.

転流元のスイッチング素子Qと転流先のスイッチング素子Qとが共にオン状態となる重なり区間の生成は、スイッチング素子Qのゲートパルス信号G(図4(b))が立ち上がるタイミングを、スイッチング素子Qのゲートパルス信号G(図4(a))が立ち下がる前とすることによって、スイッチング素子Qをオン状態とするゲートパルス信号G(図4(a))とスイッチング素子Qをオン状態とするゲートパルス信号G(図4(b))とを時間的に重ならせることで行う。したがって、スイッチング素子Qはスイッチング素子Qがオン状態からオフ状態に切り替わる前にオン状態となり、重なり区間内では、スイッチング素子Qとスイッチング素子Qは共にオン状態となる。Generation of overlapping sections and a switching element Q S of the commutation source of the switching element Q R and commutation destination are both turned on, the gate pulse signal G S of the switching element Q S (FIG. 4 (b)) rises Timing the by before and falls gate pulse signal G R of the switching element Q R (FIG. 4 (a)), a gate pulse signal G R for the switching element Q R turned on (FIG. 4 (a)) This is performed by temporally overlapping the gate pulse signal G S (FIG. 4B) that turns on the switching element Q S. Therefore, the switching element Q S turned on before the switching element Q R is switched from the ON state to the OFF state, within the overlap interval, the switching element Q R and the switching element Q S are both turned on.

以下、図4中のA区間,B区間,C区間,およびD区間の各区間について説明する。
(A区間):
図4中のA区間はスイッチング素子Qがオン状態にあり、スイッチング素子Qに電流IQR(図4(c))が流れ、スイッチング素子Qの電流IQS(図4(d))は流れない。
Hereinafter, the sections A, B, C, and D in FIG. 4 will be described.
(Section A):
A section in FIG. 4 is a switching element Q R is turned on, the current I QR (FIG. 4 (c)) flows to the switching element Q R, a current I QS of the switching element Q S (FIG. 4 (d)) Does not flow.

図3(a)はA区間のスイッチング素子の動作状態および電流状態を示している。スイッチング素子Qの電流IQR(図4(c))はR相一次電流I(図4(h))として3相変圧器51に供給され、スイッチング素子Qを通して戻る。FIG. 3A shows an operating state and a current state of the switching element in the A section. Current I QR of the switching element Q R (FIG. 4 (c)) is supplied to the three-phase transformer 51 as R-phase primary current I R (FIG. 4 (h)), the flow returns through the switching element Q Z.

(B区間):
ゲートパルス信号Gによってスイッチング素子Qがオン状態となり、スイッチング素子Qに電流IQS(図4(d))が流れ始める。このとき、スイッチング素子Qの電流IQSは、共振回路70,インダクタンスLm1,インダクタンスLm2による時定数で増加するため、スイッチング素子Qのオン時点はZCS(零電流スイッチング)が行われる(図4(d))。







(B section):
The switching element Q S is turned on by the gate pulse signal G S , and the current I QS (FIG. 4D) starts to flow through the switching element Q S. At this time, current I QS of the switching element Q S, the resonance circuit 70, the inductance L m1, to increase a time constant which is obtained based on inductance L m @ 2, on the time of the switching element Q S is ZCS (zero current switching) is performed ( FIG. 4 (d)).







スイッチング素子Qの立ち上がり時点に同期して、共振回路70に共振電流が流れ始める(図4(g))。共振電流はスイッチング素子Qに対して逆バイアス方向に流れる。この共振電流は、スイッチング素子Qにおいて順方向の電流IQRと逆方向であるため、電流IQRを相殺して減少する(図4(c))。図4(c)と図4(g)の丸付き符号1は相殺関係にある電流分を示している。In synchronization with the rise time of the switching element Q S, it starts the resonant current flows through the resonant circuit 70 (FIG. 4 (g)). Resonance current flows in the reverse bias direction to the switching element Q R. The resonance current, since in the switching element Q R is a forward current I QR opposite direction, decreases by canceling the current I QR (FIG. 4 (c)). The circled symbols 1 in FIGS. 4 (c) and 4 (g) indicate currents in a canceling relationship.

図3(b)はB区間のスイッチング素子の動作状態および電流状態を示している。スイッチング素子Qの順方向電流は共振電流で相殺され、3相変圧器51には、共振電流の一部による1次電流I(図4(h))およびスイッチング素子Qによる一次電流I(図4(h))が供給され、スイッチング素子Qを通して戻る。FIG. 3B shows an operating state and a current state of the switching element in the B section. A forward current of the switching element Q R is offset by the resonance current, 3 phase transformers 51, the primary current due to the part of the resonant current I R (FIG. 4 (h)) and the primary current I by the switching element Q S S (FIG. 4 (h)) is supplied, returns through the switching element Q Z.

(C区間):
B区間の終了時点では、スイッチング素子Qの電流QR(図4(c))は共振電流(図4(g))で相殺されて零電流となり、共振電流の余剰分は、スイッチング素子Qに並列接続された転流ダイオードDにダイオード電流IDR(図4(e))として流れ始める。図4(e)と図4(g)の丸付き符号2は対応関係にある電流分を示している。
(C section):
At the end of the B interval, current QR of the switching element Q R (FIG. 4 (c)) becomes resonant current (FIG. 4 (g)) zero current is offset by the excess of the resonance current, the switching element Q R starts to flow as a parallel-connected commutation diode D R in diode current I DR (FIG. 4 (e)) to. The circled symbols 2 in FIGS. 4E and 4G indicate currents in a corresponding relationship.

B区間に続くC区間のはじめの区間では、スイッチング素子Qとスイッチング素子Qは共にオン状態にある。この区間では、スイッチング素子Qの電流IQR(図4(c))は共振電流(図4(g))で相殺され続けて零電流を維持し、スイッチング素子Qの電流QS(図4(d))は共振電流の増加に伴って増加する。これによって、スイッチング素子Qのドレイン・ソース間電圧VD−Sは零電圧に保持される(図4(f))。The beginning of section C interval following the B section, the switching element Q R and the switching element Q S is in both turned on. In this interval, current I QR of the switching element Q R (FIG. 4 (c)) is a resonant current continues to be offset by (FIG. 4 (g)) to maintain a zero current, the current QS switching element Q S (FIG. 4 (D)) increases as the resonance current increases. Thus, the voltage V D-S between the drain and source of the switching element Q R is held at zero voltage (FIG. 4 (f)).

C区間において、ゲートパルス信号Gの立ち下がりによって転流元のスイッチング素子Qがオフ状態となると、スイッチング素子Qはオフ状態であるが、スイッチング素子Qはオン状態となって、互いに異なるオン・オフ状態となる。この状態では、スイッチング素子Qはオフ状態となって電流IQRは流れなくなり共振電流による相殺は無くなるが、共振電流は引き続いて転流ダイオードDを流れる。In Section C, the gate pulse signal G R falling by commutation source of the switching element Q R of is off, although the switching element Q R is off, the switching element Q S is turned on, each other Different on / off states. In this state, the switching element Q R is eliminated is offset by the resonance current stops flowing current I QR in the OFF state, the resonant current flows through the commutation diode D R subsequently.

したがって、スイッチング素子Qに流れる電流IQRは、共振電流による零電流状態に続いて、転流元のスイッチング素子Qがオフ状態となることによって零電流状態が保持され、転流元のスイッチング素子QはZCS(零電流スイッチング)が実現される。Therefore, current I QR flowing through the switching element Q R, following the zero-current state by resonance current, the switching element Q R commutation source is held zero-current state by the OFF state, the commutation source switching element Q R is ZCS (zero current switching) is achieved.

また、共振電流がスイッチング素子Qの転流ダイオードDに流れることによって、転流元のスイッチング素子QはZVS(零電圧スイッチング)が実現される。このC区間は、共振電流が零となる時点で終了する。Further, the resonant current by flowing through the commutation diode D R of the switching element Q R, the switching element Q R of the commutation source ZVS (zero voltage switching) is achieved. This section C ends when the resonance current becomes zero.

図3(c)はC区間のスイッチング素子の動作状態および電流状態を示している。共振電流は、スイッチング素子Qの順方向電流を相殺して零電流とし、転流ダイオードDに流れることによって零電圧とする。3相変圧器51には、共振電流の一部による1次電流Iおよびスイッチング素子Qによる一次電流Iが供給され、スイッチング素子Qを通して戻る(図4(h))。FIG. 3C shows an operating state and a current state of the switching element in the C section. Resonance current, offset the forward current of the switching element Q R is set to zero current and zero voltage by flowing through the commutation diode D R. The three-phase transformer 51, the primary current I S by the primary current I R and the switching element Q S by part of the resonant current is supplied, returns through the switching element Q Z (FIG. 4 (h)).

(D区間):
共振電流が零となった時点で、スイッチング素子Qのドレイン・ソース間の電圧VQRには直流電圧分が印加される(図4(f))。
(D section):
When the resonant current becomes zero, the voltage V QR between the drain and source of the switching element Q R DC voltage component is applied (FIG. 4 (f)).

図3および図4に示す動作状態では、3相変圧器51側との間には一次電流としてR相の一次電流IとS相の一次電流Iが流れる。区間Aでは一次電流Iとして電流IQRが流れ、区間B,Cで一次電流Iから一次電流Iに転流した後、区間Dにおいて一次電流Iとして電流IQSが流れる。In the operation state shown in FIGS. 3 and 4, the primary current I S of the primary current I R and S phases of the R phase flows as the primary current between the three-phase transformer 51 side. Current I QR flow as the section A, the primary current I R, Section B, the after commutated to the primary current I S from the primary current I R in C, and a current flows I QS as the primary current I S in the interval D.

転流中において一次電流Iと一次電流Iが共に流れる区間では、一次電流Iと一次電流Iとは同電流値となり、一方の一次電流が流れるときの半分の電流が流れる。一次電流Iと一次電流Iが共に流れる区間は、図4(h)では区間Cの内で区間Dへの切り替えが行われる区間を除く部分である。In the primary current I R and the primary current I S flows both intervals during commutation, the primary current I R and the primary current I S to have the same current value, flows through half of the current when one of the primary current flows. Primary current I R and the primary current I S both flow section is a portion except a section switch to section D among the FIG 4 (h) In the section C is carried out.

図4(h)中の区間Bにおいて、一次電流Iは中間の電流に向かって減少し、一次電流Iは中間の電流に向かって増加する。また、図4(h)中の区間Cにおいて、区間Dへの切り替え部分では、一次電流Iは中間の電流から零電流に向かって減少し、一次電流Iは中間の電流から一次電流の全電流に向かって増加する。
上記した電流IQRから電流IQSの切り替え動作によって、電流形降圧チョッパ部から3相変圧器51に一次電流が遮断されることなく供給される。
In the section B in FIG. 4 in (h), the primary current I R decreases towards the middle of the current, the primary current I S increases towards the middle of the current. Further, in the section C in FIG. 4 (h), the at switching part to section D, the primary current I R decreases towards the middle of the current to zero current, the primary current I S from the middle of the current in the primary current It increases toward the total current.
By the switching operation from the current I QR to the current I QS , the primary current is supplied from the current source step-down chopper unit to the three-phase transformer 51 without being cut off.

図3(d)はD区間のスイッチング素子の動作状態および電流状態を示している。共振電流は停止し、3相変圧器51にはスイッチング素子Qによる一次電流Iが供給され、スイッチング素子Qを通して戻る。FIG. 3D shows the operating state and current state of the switching element in the D section. The resonance current stops, and the three-phase transformer 51 is supplied with the primary current I S by the switching element Q S and returns through the switching element Q Z.

上記転流動作によって、共振回路の共振電流は、重なり区間において、転流元のスイッチング素子に対して逆バイアス方向に供給し、スイッチング素子に逆並列接続された転流ダイオードに対して順バイアス方向に供給することによって、転流元のスイッチング素子を重なり区間において零電流および零電圧とし、転流元のスイッチング素子がオン状態からオフ状態への切り替わる時点における転流動作を零電流および零電圧で行う。   By the above commutation operation, the resonance current of the resonance circuit is supplied in the reverse bias direction to the switching element of the commutation source in the overlapping section, and the forward bias direction is applied to the commutation diode connected in reverse parallel to the switching element. The commutation source switching element is set to zero current and zero voltage in the overlapping section, and the commutation operation at the time when the commutation source switching element switches from the on state to the off state is performed with zero current and zero voltage. Do.

次に、本願発明の電流形インバータ装置および電流形インバータ装置の制御方法の態様について説明する。   Next, aspects of the current source inverter device and the control method of the current source inverter device of the present invention will be described.

本願発明の電流形インバータ装置および電流形インバータ装置の制御方法の態様を図5〜図11を用いて説明する。図5は本発明のインバータ回路および共振回路の構成例を示し、図6は本発明のインバータ回路スイッチング素子の駆動を説明するタイミングチャートを示し、図7は本発明の共振回路の共振電流を説明するための図を示し、図8は本発明の共振回路を説明するための図を示し、図9は本発明のインバータ制御の重なり区間および共振回路の条件を説明するための図を示し、図10は本発明のインバータ回路のスイッチング素子の転流状態を説明するための図を示し、図11〜図14は本発明のインバータ制御の動作を説明するための図を示している。なお、図11〜図14において、素子および配線に流れる電流状態を濃淡で示し、導通状態を濃い表示で示し、非導通状態を淡い表示で示している。   A mode of a current source inverter device and a control method of the current source inverter device of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 5 shows a configuration example of the inverter circuit and the resonance circuit of the present invention, FIG. 6 shows a timing chart for explaining the driving of the inverter circuit switching element of the present invention, and FIG. 7 explains the resonance current of the resonance circuit of the present invention. FIG. 8 shows a diagram for explaining the resonance circuit of the present invention, FIG. 9 shows a diagram for explaining the inverter control overlap section and the condition of the resonance circuit of the present invention, and FIG. 10 is a diagram for explaining the commutation state of the switching element of the inverter circuit of the present invention, and FIGS. 11 to 14 are diagrams for explaining the operation of the inverter control of the present invention. In FIGS. 11 to 14, the current state flowing through the element and the wiring is shown in shades, the conduction state is shown in dark display, and the non-conduction state is shown in pale display.

本発明の共振回路は、共振回路の電流供給端が形成する各端子間にそれぞれLC直列回路を備える。各LC直列回路は、インバータ回路のスイッチング素子間の転流時において、転流先のスイッチング素子から順電流を入力して共振電流を生成し、生成した共振電流を転流元のスイッチング素子の逆バイアス方向に供給する。   The resonant circuit of the present invention includes an LC series circuit between each terminal formed by the current supply end of the resonant circuit. Each LC series circuit generates a resonance current by inputting a forward current from the switching element at the commutation destination during commutation between the switching elements of the inverter circuit, and the generated resonance current is reversed from the switching element at the commutation source. Supply in the bias direction.

図5(a)に示すインバータ回路41は、6個のスイッチング素子Q、Q、Q、Q、Q、Qをブリッジ接続してなり、スイッチング素子Qとスイッチング素子Qとを直列接続し、スイッチング素子Qとスイッチング素子Qとを直列接続し、スイッチング素子Qとスイッチング素子Qとを直列接続する。The inverter circuit 41 shown in FIG. 5 (a), six switching elements Q R, Q S, Q T , Q X, Q Y, will be a Q Z bridge-connected switching elements Q R and the switching element Q x Are connected in series, the switching element Q S and the switching element Q Y are connected in series, and the switching element Q T and the switching element Q z are connected in series.

スイッチング素子Qとスイッチング素子Qの接続点Rは、インダクタンスLm1を介して3相変圧器51のR相分として接続され、スイッチング素子Qとスイッチング素子Qの接続点Sは、インダクタンスLm2を介して3相変圧器51のS相分として接続され、スイッチング素子Qとスイッチング素子Q接続点Tは、インダクタンスLm3を介して3相変圧器51のT相分として接続される。A connection point R between the switching element Q R and the switching element Q x is connected as an R phase component of the three-phase transformer 51 via an inductance L m1, and a connection point S between the switching element Q S and the switching element Q Y is an inductance through L m @ 2 are connected as S-phase of the three-phase transformer 51, a switching element Q T and the switching element Q Z connecting point T is connected as T-phase of the three-phase transformer 51 via an inductance L m3 The

共振回路71は、コンデンサCとリアクタンスLの直列接続からなる3組の共振回路部を備え、3組の共振回路部の各端部は3つの電流供給端の端子間に接続される。電流供給端の各端子は、スイッチング素子Qとスイッチング素子Qの接続点R、スイッチング素子Qとスイッチング素子Qの接続点S、およびスイッチング素子Q とスイッチング素子Qの接続点Tに接続される。 Resonant circuit 71 is provided with three sets of resonance circuit consisting of the series connection of a capacitor C L and a reactance L C, each end of the three sets of resonator circuit is connected between the three current supply end terminal. Each terminal of the current supply end has a connection point R between the switching element Q R and the switching element Q X, a connection point S between the switching element Q S and the switching element Q Y , and a connection point T between the switching element Q T and the switching element Q Z. Connected to.

この構成により、スイッチング素子Qとスイッチング素子Qとの転流時には接続点Sから共振回路71に電流Icsが供給され、スイッチング素子Qとスイッチング素子Qとの転流時には接続点Tから共振回路71に電流IcTが供給され、スイッチング素子Qとスイッチング素子Qとの転流時には接続点Rから共振回路71に電流IcRが供給される。With this configuration, at the time of commutation of the switching element Q R and the switching element Q S current I cs is supplied to the resonant circuit 71 from the connecting point S, a connection point at the time of commutation of the switching element Q S and the switching element Q T T current I cT is supplied to the resonant circuit 71 from the time the commutation of the switching element Q T and the switching element Q R current I cR is supplied to the resonant circuit 71 from the connecting point R.

共振回路71は、転流動作を行う2つのスイッチング素子の内の転流先のスイッチング素子の順方向電流を入力して共振電流を生成する。さらに、共振回路71は、生成した共振電流を、転流動作を行う2つのスイッチング素子の内の転流元のスイッチング素子の逆バイス方向に供給する。例えば、スイッチング素子Qとスイッチング素子Qとの間で転流を行う場合には、共振回路71は、転流先であるスイッチング素子Qの順方向電流を入力して共振電流を生成し、生成した共振電流を転流元であるスイッチング素子Qの逆バイアス方向に電流を供給する。なお、共振回路71は、図5(a)では、Δ形接続の構成を示しているが、図5(b)に示す星形接続による構成としてもよい。The resonance circuit 71 generates a resonance current by inputting a forward current of a switching element that is a commutation destination of two switching elements that perform a commutation operation. Further, the resonance circuit 71 supplies the generated resonance current in the reverse vice direction of the commutation source switching element of the two switching elements performing the commutation operation. For example, when performing commutation between the switching element Q R and the switching element Q S, the resonance circuit 71 generates a resonant current to enter the forward current of the switching element Q S is commutation destination supplies current the generated resonance current in the reverse bias direction of the switching element Q R is the commutation source. In addition, although the resonance circuit 71 has shown the structure of (DELTA) form connection in Fig.5 (a), it is good also as a structure by the star connection shown in FIG.5 (b).

図6の本発明のインバータ回路のスイッチング素子の駆動を説明するタイミングチャートは、スイッチング素子Q、Q、Q、Q、Q、Qを駆動するゲートパルス信号を示している。ここでは3相インバータの例を示しているため、3相インバータの駆動角周波数ωの1周期を2πの位相分としたとき、各相のスイッチング素子のオン状態となる区間は(2π/3)の位相分となる。図6では、一周期を、π/6の位相分を一区間とする全12区間に分割して示している。なお、3相インバータの駆動周波数をfとしたとき、駆動角周波数ωはω=2π×fである。 The timing chart for explaining the driving of the switching elements of the inverter circuit of the present invention in FIG. 6 shows gate pulse signals for driving the switching elements Q R , Q S , Q T , Q X , Q Y , Q Z. Because here shows an example of a three-phase inverter, when one cycle of driving angular frequency omega I of the three-phase inverter and the phase fraction of 2 [pi, the section which is turned in each phase of the switching element (2 [pi / 3 ) Phase. In FIG. 6, one cycle is divided into a total of 12 sections with a phase of π / 6 as one section. Incidentally, when the driving frequency of the 3-phase inverter was f I, driving angular frequency omega I is ω I = 2π × f I.

本願発明では、転流関係にある2つのスイッチング素子間に重なり区間θtを設けることによって共振回路に共振電流を生成させ、生成した共振電流を転流元の転流元のスイッチング素子に供給して、転流元のスイッチング素子をZCS(零電流スイッチング)およびZVS(零電圧スイッチング)で転流動作させ、これによって転流時におけるスイッチング損失を低減する。   In the present invention, a resonance current is generated in the resonance circuit by providing an overlapping section θt between two switching elements in a commutation relationship, and the generated resonance current is supplied to the commutation source switching element. The commutation source switching element is commutated by ZCS (zero current switching) and ZVS (zero voltage switching), thereby reducing the switching loss during commutation.

(重なり区間θt、共振回路の設定)
以下、ZCS(零電流スイッチング)およびZVS(零電圧スイッチング)の転流動作に必要な重なり区間θtについて説明する。
(Overlapping section θt, setting of resonance circuit)
Hereinafter, the overlapping section θt necessary for the commutation operation of ZCS (zero current switching) and ZVS (zero voltage switching) will be described.

図7はR相1次電流Iに対する共振電流ICLと重なり区間θtとの関係を示し、図7(a)はR相1次電流Iと共振電流ICLとを示し、図7(b)はスイッチング素子Qを駆動制御するゲートパルス信号Gを示し、図7(c)はスイッチング素子Qを駆動制御するゲートパルス信号Gを示している。また、図8は共振回路の一構成例を示している。Figure 7 shows the relationship between the overlap period θt and the resonance current I CL for R-phase primary current I R, 7 (a) shows a resonance current I CL and R-phase primary current I R, 7 ( b) shows a gate pulse signal G R for driving and controlling the switching element Q R, FIG. 7 (c) shows a gate pulse signal G S for driving and controlling the switching element Q S. FIG. 8 shows a configuration example of the resonance circuit.

転流時の重なり区間θtにおいて、共振回路のコンデンサCとリアクトルLとを直列接続してなる共振回路で生成される共振電流ICLを、共振回路の等価キャパシタンスCと等価リアクトルLを用いると以下の式(2)で表される。
CL=Imax×sinωt …(2)
ここで、共振電流の最大値Imaxおよび共振回路の角周波数ωはそれぞれ以下の式(3)、(4)で表される。
max=VRS/(L/C1/2 …(3)
ω=1/(L×C1/2 …(4)
In the overlapping section θt at the time of commutation, the resonance current I CL generated by the resonance circuit formed by connecting the capacitor C L and the reactor L C of the resonance circuit in series is converted into the equivalent capacitance C e and the equivalent reactor L e of the resonance circuit. Is expressed by the following formula (2).
I CL = I max × sin ω n t (2)
Here, the maximum value I max of the resonance current and the angular frequency ω n of the resonance circuit are expressed by the following equations (3) and (4), respectively.
I max = V RS / (L e / C e ) 1/2 (3)
ω n = 1 / (L e × C e ) 1/2 (4)

なお、VRS、LおよびCは、図8(a)で示す共振回路のR端子とS端子間の電圧および等価リアクトル、等価キャパシタンスである。図8(b)はR相からS相に転流したときの共振回路の等価回路であり、このときT相のICT電流は流れないためLおよびCはR−S相間から見た合成インピーダンス回路として扱うことができる。V RS , L e and C e are a voltage, an equivalent reactor, and an equivalent capacitance between the R terminal and the S terminal of the resonance circuit shown in FIG. 8 (b) is an equivalent circuit of the resonant circuit when commutated into S phase from R-phase, L e and C e for I CT current does not flow at this time T phase viewed from between R-S phases It can be handled as a synthetic impedance circuit.

等価リアクトルLおよび等価キャパシタンスCは、以下の式(5),(6)で表される。
=2/3×L …(5)
=3/2×C …(6)
共振回路の角周波数ωは、式(4)〜(6)で示されるように共振回路のコンデンサCとリアクトルLで定まり、共振回路に固有の角周波数である。
The equivalent reactor L e and the equivalent capacitance C e are expressed by the following equations (5) and (6).
L e = 2/3 × L C (5)
C e = 3/2 × C L (6)
Angular frequency omega n of the resonant circuit, Sadamari a capacitor C L and the reactor L C resonant circuit as shown in equation (4) to (6), is a unique angular frequency to the resonant circuit.

図7(a)において、共振電流ICLが最大ピーク値Imaxとなる時間tは、ω×t=π/2の関係から以下の式(7)で表される。
=π/2 ×1/ω=π/2×(L×C1/2 …(7)
In FIG. 7A, the time t P when the resonance current I CL reaches the maximum peak value I max is expressed by the following formula (7) from the relationship of ω n × t P = π / 2.
t P = π / 2 × 1 / ω n = π / 2 × (L C × C L ) 1/2 (7)

転流元のスイッチング素子Qを転流時において、スイッチング素子Qの転流ダイオードDに電流を導通することによってスイッチング素子のドレイン・ソース間電圧を零電圧として、ZVS(零電圧スイッチング)とすることができる。1次電流I分を3相変圧器に供給すると共に転流ダイオードDに電流を供給するには、式(3)で表される共振電流ICLの最大ピーク値Imaxは、各相において、Imax>I、Imax>I、Imax>Iの範囲となるように、共振回路においてコンデンサCとリアクトルLを選定する。When the commutation source switching element Q is commutated, the current between the commutation diode D of the switching element Q is made conductive, thereby setting the drain-source voltage of the switching element to zero voltage and ZVS (zero voltage switching). Can do. The supply current to the commutating diode D supplies a primary current I R min to a three-phase transformer, the maximum peak value I max of the resonant current I CL represented by the formula (3), in each phase , I max> I R, I max> I S, to be in the range of I max> I T, selecting the capacitor C L and a reactor L C at the resonant circuit.

図7において、重なり区間θtの最大範囲は共振電流の半周期分πである。重なり区間θtが共振電流の半周期分πを越えて設定された場合には、重なり区間θtが終了して転流元のスイッチング素子がオフ状態となった時点において共振電流は既に零に減衰しているため、転流元のスイッチング素子の転流ダイオードを導通させて零電圧状態とすることができない。   In FIG. 7, the maximum range of the overlapping section θt is π corresponding to a half cycle of the resonance current. When the overlap section θt is set to exceed the half period π of the resonance current, the resonance current is already attenuated to zero when the overlap section θt ends and the commutation source switching element is turned off. For this reason, the commutation diode of the switching element that is the commutation source cannot be brought into conduction to obtain a zero voltage state.

したがって、ZVS(零電圧スイッチング)とするために、重なり区間θtは共振電流の半周期分π内に設定する。   Therefore, in order to achieve ZVS (zero voltage switching), the overlapping section θt is set within π for a half period of the resonance current.

図9は、重なり区間θtおよび共振回路のコンデンサCおよびリアクトルLを設定する際の条件を説明するための図である。図9(a),(b)はブリッジ構成において接続関係にあるスイッチング素子QとQのゲートパルス信号のタイミングを示し、図9(c),(d)はブリッジ構成において接続関係にあるスイッチング素子QとQのゲートパルス信号のタイミングを示し、図9(g),(h)はブリッジ構成において接続関係にあるスイッチング素子Qとスイッチング素子Qのゲートパルス信号のタイミングを示している。また、図9(e)はスイッチング素子Qとスイッチング素子Q間に接続される共振回路の共振電流ICLを示し、図9(f)はスイッチング素子Qに流れる順方向電流IQRを示している。Figure 9 is a diagram for explaining the conditions for setting the capacitor C L and the reactor L C of overlapping sections θt and the resonant circuit. Figure 9 (a), (b) shows the timing of gate pulse signal of the switching element Q R and Q X in the connection relationship in the bridge configuration, FIG. 9 (c), the a connection relationship in (d) of the bridge structure The timings of the gate pulse signals of the switching elements Q S and Q Y are shown. FIGS. 9G and 9H show the timings of the gate pulse signals of the switching elements Q T and Q Z which are connected in the bridge configuration. ing. Further, FIG. 9 (e) shows a resonance current I CL of the resonant circuit connected between the switching element Q R and the switching element Q S, FIG. 9 (f) is the forward current I QR flowing through the switching element Q R Show.

本願発明の電流形インバータ装置において、転流動作、およびZCS、ZVSのスイッチング動作を行うための条件として、上記した、
(a)共振電流ICLの最大ピーク値Imaxは、各相において、Imax>I、Imax>I、Imax>Iの範囲である。
(b)重なり区間θtの最大範囲は共振電流の半周期分πである。
の条件がある。
In the current source inverter device of the present invention, the conditions for performing the commutation operation and the switching operation of ZCS and ZVS are as described above.
(A) The maximum peak value I max of the resonance current I CL is in a range of I max > I R , I max > I S , and I max > I T in each phase.
(B) The maximum range of the overlapping section θt is π corresponding to a half period of the resonance current.
There are conditions.

重なり区間および共振回路に求められる条件として以下の条件(c),(d),(e)がある。この条件(c),(d),(e)は、図9中においてそれぞれ符号A,B,Cで示している。   The following conditions (c), (d), and (e) are required for the overlapping section and the resonance circuit. These conditions (c), (d), and (e) are indicated by symbols A, B, and C in FIG. 9, respectively.

(c)ブリッジ構成において接続関係にあるスイッチング素子間の短絡を防ぐ条件は、π/3>θtである。   (C) The condition for preventing a short circuit between switching elements in a connection relationship in the bridge configuration is π / 3> θt.

重なり区間θtが長くなると、例えば図9中の符号Aで示すように、ブリッジ構成において接続関係にあるスイッチング素子Qとスイッチング素子Q等のスイッチング素子間が短絡することになる。このスイッチング素子間の短絡を防ぐために、π/3>θt(ω×T)の条件が求められる。なお、Tは共振電流ICLの時間幅、ωは3相インバータの駆動角周波数である。When the overlap period θt is increased, for example, as indicated by symbol A in FIG. 9, between the switching elements such as a switching element Q R and the switching element Q X in the connection relationship will short-circuit in the bridge configuration. In order to prevent this short circuit between the switching elements, a condition of π / 3> θt (ω I × T n ) is required. Note that T n is the time width, omega I is a three-phase inverter driving angular frequency of the resonance current I CL.

なお、各スイッチング素子においてオン状態となる期間が、時間方向で前後に等しい任意の時間幅で延長させることで重なり区間を形成する場合には、各延長区間はπ/6よりも短いことが条件となる。   In addition, when the overlap period is formed by extending the period in which each switching element is in the ON state by an arbitrary time width equal to the front and rear in the time direction, each extension period is shorter than π / 6. It becomes.

(d)共振電流ICLが次の共振電流の生成モードに係らないための条件は、(L×C1/2<1/(3ω)である。ωIは3相インバータ回路の駆動角周波数である。(D) The condition for the resonance current I CL not to depend on the next generation mode of the resonance current is (L c × C L ) 1/2 <1 / (3ω I ). ωI is the driving angular frequency of the three-phase inverter circuit.

図9中の符号Bで示すように、スイッチング素子Qがオン状態となった後、π/3の後にスイッチング素子Qのオン状態となって次の共振電流が流れ始めるため、スイッチング素子Qがオンとなることで発生した共振電流ICLはπ/3内に終了する必要がある。As indicated by reference numeral B in FIG. 9, after the switching element Q S is turned on, the switching element Q X is turned on after π / 3 and the next resonance current starts to flow. The resonance current I CL generated when S is turned on needs to end within π / 3.

共振電流ICLの時間幅をTとし3相インバータの駆動角周波数ωとすると、共振電流ICLがπ/3内である条件は、ω×T<π/3で表される。When the time width of the resonance current I CL is T n and the driving angular frequency ω I of the three-phase inverter, the condition that the resonance current I CL is within π / 3 is expressed by ω I × T n <π / 3. .

一方、共振回路において共振電流ICLの時間幅Tは半周期πに対応するため、T=π/ωの関係がある。なお、ωは共振回路の角周波数である。On the other hand, in the resonance circuit, the time width T n of the resonance current I CL corresponds to a half period π, and therefore, there is a relationship of T n = π / ω n . Note that ω n is an angular frequency of the resonance circuit.

したがって、上記の関係から、共振電流ICLがπ/3内である条件である“ω×T<π/3”を、共振回路のコンデンサCおよびリアクトルLに求められる条件で表すと、(L×C1/2<1/(3ω)となる。Therefore, from the above relationship, “ω I × T n <π / 3”, which is a condition that the resonance current I CL is within π / 3, is expressed by the condition required for the capacitor C L and the reactor L C of the resonance circuit. And (L c × C L ) 1/2 <1 / (3ω I ).

(e)重なり区間θtの間に電流I QR が零に減少するための条件は、図9中の符号Cで示すように、sin(θt)>IQR/Imaxである。 (E) The condition for the current I QR to decrease to zero during the overlap interval θt is sin (θt)> I QR / I max as indicated by the symbol C in FIG.

ZCS(零電流スイッチング)を実現するには、重なり区間θtの期間内で転流元のスイッチング素子Qの電流IQRが零となっている必要があり、電流IQRを低減させる共振電流ICLは少なくとも重なり区間θtの最後の時点において電流IQRよりも大きい必要があり、ICL>IQRの条件を満たす必要がある。ICL=Imaxsin(θt)の関係から、この条件はsin(θt)>IQR/Imaxで表される。To achieve ZCS (zero current switching) must current I QR of the switching element Q R of the commutation source within a period of overlap interval θt becomes zero, the resonant current I to decrease the current I QR CL needs to be larger than the current I QR at least at the last time of the overlapping section θt, and it is necessary to satisfy the condition of I CL > I QR . From the relationship of I CL = I max sin (θt), this condition is expressed by sin (θt)> I QR / I max .

次に、図10のタイミングチャートを用いて、本発明の電流形インバータ装置による転流動作例を説明する。ここでは、図6に示す動作モードにおいて、動作モード4,5,6のスイッチング素子Qとスイッチング素子Qとの間の転流動作を示している。Next, an example of commutation operation by the current source inverter device of the present invention will be described using the timing chart of FIG. Here, in the operation mode shown in FIG. 6 shows the commutation operation between the switching elements Q R and the switching element Q S of the operation mode 4, 5 and 6.

スイッチング素子Qを転流元のスイッチング素子とし、スイッチング素子Qを転流先のスイッチング素子としている。電流形インバータ装置は、転流元のスイッチング素子Qと転流先のスイッチング素子Qが共にオン状態となる重なり区間が生成されるように転流動作を制御するとともに、転流先のスイッチング素子Qがオン状態となったときに流れる順方向電流を共振回路71に導入することによって、転流動作に同期して共振回路において共振電流を生成させ、生成した共振電流を転流元のスイッチング素子Qに供給する。The switching element Q R is the commutation source of the switching element, and a switching element Q S and commutation destination switching element. Current source inverter device controls the commutation operation so that the commutation source of the switching element Q R and commutation destination overlap interval switching element Q S are both turned on is generated, commutation destination switching by introducing the forward current that flows when the element Q S is turned on to the resonant circuit 71, in synchronization with the commutation operation to generate a resonance current in the resonance circuit, the generated resonant current commutation source It is supplied to the switching element Q R.

転流元のスイッチング素子Qと転流先のスイッチング素子Qとが共にオン状態となる重なり区間は、スイッチング素子Qのゲートパルス信号G(図10(b))が立ち上がるタイミングから、スイッチング素子Qのゲートパルス信号G(図10(a))が立ち下がるタイミングまでとするものであり、スイッチング素子Qをオン状態とするゲートパルス信号G(図10(a))とスイッチング素子Qをオン状態とするゲートパルス信号G(図10(b))とを時間的に重ならせることによって重なり区間を形成する。Commutation source of the switching element Q R and commutation destination overlapping section and the switching element Q S are both turned on, the timing gate pulse signal G S (FIG. 10 (b)) rises of the switching element Q S, the switching element Q R of the gate pulse signal G R (FIG. 10 (a)) are those in which the up fall timing, the gate pulse signal G R (FIG. 10 (a)) to the switching element Q R oN state and An overlapping section is formed by temporally overlapping the gate pulse signal G S (FIG. 10B) that turns on the switching element Q S.

したがって、スイッチング素子Qはスイッチング素子Qがオン状態からオフ状態に切り替わる前にオン状態となり、重なり区間θt内(動作モード5)では、スイッチング素子Qとスイッチング素子Qは共にオン状態となる。Therefore, the switching element Q S is turned on before the switching element Q R is switched from the ON state to the OFF state, the inside overlap period [theta] t (operation mode 5), the switching element Q R and the switching element Q S is a both turned on Become.

以下、図4と同様に、図10中のA区間,B区間,C区間,およびD区間の各区間について説明する。A区間は動作モード4に対応し、B区間は動作モード5の一部に対応し、C区間は動作モード5の残り部分に対応し、D区間は動作モード6に対応している。   Hereinafter, as in FIG. 4, the sections A, B, C, and D in FIG. 10 will be described. The A section corresponds to the operation mode 4, the B section corresponds to a part of the operation mode 5, the C section corresponds to the remaining part of the operation mode 5, and the D section corresponds to the operation mode 6.

(A区間):
図10中のA区間はスイッチング素子Qがオン状態にあり、スイッチング素子Qに電流IQRが流れ、スイッチング素子Qの電流IQS(図10(c))は流れない。
(Section A):
A section in FIG. 10 is a switching element Q R is in the ON state, the current I QR flows to the switching element Q R, a current I QS of the switching element Q S (FIG. 10 (c)) does not flow.

図11はA区間のスイッチング素子の動作状態および電流状態を示している。スイッチング素子Qの電流IQRはR相一次電流Iとして3相変圧器51に供給され、スイッチング素子Qを通して戻る。FIG. 11 shows the operating state and current state of the switching element in section A. Current I QR of the switching element Q R is supplied to the three-phase transformer 51 as R-phase primary current I R, back through the switching element Q Z.

(B区間):
ゲートパルス信号Gによってスイッチング素子Qがオン状態となり、スイッチング素子Qに電流IQSが流れ始める。このとき、スイッチング素子Qの電流IQSはインダクタンスLm2やLによる時定数で増加するため、スイッチング素子Qのオン時点は(ZCS)零電流スイッチング)が行われる(図10(d))。
(B section):
The switching element Q S is turned on by the gate pulse signal G S , and the current I QS starts to flow through the switching element Q S. At this time, since the current I QS of the switching element Q S which increases with a time constant due to inductance L m @ 2 and L C, turn-on time of the switching element Q S is performed (ZCS) zero-current switching) (FIG. 10 (d) ).

オン状態のスイッチング素子Qに流れる順方向電流IQSを共振回路71に導入することによって、共振回路71に共振電流ICLが生成される(図10(g))。生成した共振電流ICLを転流元のスイッチング素子Qに対して逆バイアス方向に導入する。導入された共振電流ICLは、スイッチング素子Qにおいて順方向の電流IQRと逆方向であるため、電流IQRを相殺して減少する(図10(c))。図10(c)と図10(g)の丸付き符号1は相殺関係にある電流分を示している。A resonance current I CL is generated in the resonance circuit 71 by introducing the forward current I QS flowing through the switching element Q S in the ON state into the resonance circuit 71 (FIG. 10G). The resulting resonant current I CL is introduced into the reverse bias direction with respect to the commutation source of the switching element Q R. Introduced resonant current I CL, since the switching element Q R is a forward current I QR opposite direction, it decreases by canceling the current I QR (FIG. 10 (c)). A circled symbol 1 in FIGS. 10C and 10G indicates a current component in a canceling relationship.

図12はB区間のスイッチング素子の動作状態および電流状態を示している。スイッチング素子Qの電流は、端子Sを介して共振回路71内に導入され、コンデンサCとリアクトルLの直列接続からなる共振回路部によって共振電流ICLが生成される。共振電流ICLの一部はR相の1次電流として3相変圧器51に供給され、残りの一部は転流元のスイッチング素子Qに逆バイアス方向に供給される。FIG. 12 shows the operating state and current state of the switching element in section B. Current of the switching element Q S is introduced into the resonant circuit 71 through the terminal S, the resonance current I CL is generated by the resonance circuit comprising a series connection of a capacitor C L and the reactor L C. Part of the resonant current I CL is supplied to the three-phase transformer 51 as a primary current of the R-phase, and the remaining portion is supplied to the reverse bias direction to the switching element Q R of the commutation source.

スイッチング素子Qの順方向電流は共振電流で相殺され、3相変圧器51には、共振電流の一部による1次電流Iおよびスイッチング素子Qによる一次電流Iが供給され、スイッチング素子Qを通して戻る。A forward current of the switching element Q R is offset by the resonance current, to a three-phase transformer 51, the primary current I S by the primary current I R and the switching element Q S by part of the resonant current is supplied, the switching element Return through Q Z.

(C区間):
スイッチング素子Qの電流IQRは零電流となる。共振電流の余剰分は、スイッチング素子Qに並列接続された転流ダイオードDに流れる。図10(e)と図10(g)の丸付き符号2は対応関係にある電流分を示している。
(C section):
Current I QR of the switching element Q R is zero current. Surplus of the resonant current flows to the parallel-connected to the switching element Q R commutating diode D R. A circled symbol 2 in FIGS. 10E and 10G indicates a current component in a corresponding relationship.

これによって、スイッチング素子Qのドレイン・ソース間電圧は零電圧に保持される(図10(f))。このC区間内において、転流元のスイッチング素子Qのゲートパルス信号Gが立ち下がった時点で重なり区間が終了する。Thus, the drain-source voltage of the switching element Q R is held at zero voltage (FIG. 10 (f)). Within this Section C, the overlap interval ends when the gate pulse signal G R falls commutation source of the switching element Q R.

転流元のスイッチング素子Qのオフ時において、スイッチング素子Qに流れる電流IQRは、共振電流による零電流状態に続いて、転流元のスイッチング素子Qがオフ状態となることによって零電流状態が保持される。したがって、転流元のスイッチング素子QはZCS(零電流スイッチング)が実現される。During commutation source off of the switching element Q R, a current I QR flowing through the switching element Q R, following the zero-current state by resonance current by the switching element Q R of the commutation source is turned off zero The current state is maintained. Therefore, the switching elements Q R of the commutation source ZCS (zero current switching) is achieved.

また、共振電流がスイッチング素子Qの転流ダイオードDに流れることによって、転流元のスイッチング素子QはZVS(零電圧スイッチング)が実現される。このC区間は、共振電流が零となる時点で終了する。Further, the resonant current by flowing through the commutation diode D R of the switching element Q R, the switching element Q R of the commutation source ZVS (zero voltage switching) is achieved. This section C ends when the resonance current becomes zero.

図13はC区間のスイッチング素子の動作状態および電流状態を示している。共振電流I CL は、スイッチング素子Qの順方向電流を相殺して零電流とし、転流ダイオードDに流れることによって零電圧とする。3相変圧器51には、共振電流の一部による1次電流Iおよびスイッチング素子Qによる一次電流Iが供給され、スイッチング素子Qを通して戻る。 FIG. 13 shows the operating state and current state of the switching element in section C. Resonant current I CL is offset forward current of the switching element Q R is set to zero current and zero voltage by flowing through the commutation diode D R. The three-phase transformer 51, the primary current I S by the primary current I R and the switching element Q S by part of the resonant current is supplied, it returns through the switching element Q Z.

(D区間):
共振電流が零となった時点で、スイッチング素子Qのドレイン・ソース間電圧VQRには直流電圧分が印加される(図10(f))。
(D section):
When the resonant current becomes zero, the drain-source voltage V QR of the switching element Q R DC voltage component is applied (FIG. 10 (f)).

なお、R相の1次電流Iは、区間Bにおいて転流が生じ、区間CでIとIは同電流となり、区間Cの終わりの時点でさらに転流が生じ、電流IQRから電流QSに切り替わり(図10(h))、遮断されることなく3相変圧器51に供給される。 Incidentally, the primary current I R of the R-phase, commutation occurs in the interval B, I R and I S becomes the same current in the section C, further commutation occurs at the end of the section from C, current I QR It switches to the current I QS (FIG. 10 (h)) and is supplied to the three-phase transformer 51 without being cut off.

図14はD区間のスイッチング素子の動作状態および電流状態を示している。共振電流I CL は停止し、3相変圧器51にはスイッチング素子Qによる一次電流Iが供給され、スイッチング素子Qを通して戻る。 FIG. 14 shows the operating state and current state of the switching element in section D. Resonant current I CL stops, the primary current I S by the switching element Q S is supplied to the 3-phase transformer 51, back through the switching element Q Z.

上記転流動作によって、共振回路の共振電流は、重なり区間において、転流元のスイッチング素子に対して逆バイアス方向に供給し、スイッチング素子に逆並列接続された転流ダイオードに対して順バイアス方向に供給することによって、転流元のスイッチング素子を重なり区間において零電流および零電圧とし、転流元のスイッチング素子がオン状態からオフ状態への切り替わる時点における転流動作を零電流および零電圧で行う。   By the above commutation operation, the resonance current of the resonance circuit is supplied in the reverse bias direction to the switching element that is the commutation source in the overlapping section, and the forward bias direction is applied to the commutation diode that is connected in reverse parallel to the switching element. The commutation source switching element is set to zero current and zero voltage in the overlapping section, and the commutation operation at the time when the commutation source switching element switches from the on state to the off state is performed with zero current and zero voltage. Do.

本願発明のインバータの転流動作において、スイッチング素子間で共にオン状態となる重なり区間の形成において、転流先と転流元のスイッチング素子の駆動タイミングは複数の形態で行うことができる。例えば、転流先のスイッチング素子をオフ状態からオン状態に切り替えるタイミングを早める形態、転流元のスイッチング素子をオン状態からオフ状態に切り替えるタイミングを遅らせる形態、および転流先のスイッチング素子をオフ状態からオン状態に切り替えるタイミングを早めると共に、転流元のスイッチング素子をオン状態からオフ状態に切り替えるタイミングを遅らせる形態等とすることができる。   In the commutation operation of the inverter according to the present invention, the drive timing of the commutation destination and the commutation source switching element can be performed in a plurality of forms in the formation of the overlapping section in which the switching elements are both turned on. For example, a form in which the timing for switching the commutation destination switching element from the off state to the on state is advanced, a form in which the timing for switching the commutation source switching element from the on state to the off state is delayed, and the commutation destination switching element in the off state The timing for switching from the ON state to the OFF state and the timing for switching the commutation source switching element from the ON state to the OFF state can be delayed.

なお、上記実施の形態及び変形例における記述は、本発明に係る電流形インバータ装置および電流形インバータ装置の制御方法の一例であり、本発明は各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。   Note that the descriptions in the above-described embodiments and modifications are examples of the current source inverter device and the control method of the current source inverter device according to the present invention, and the present invention is not limited to each embodiment. Various modifications can be made based on the spirit of the invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.

本発明の電流形インバータ装置は、プラズマ発生装置に電力を供給する電力源として適用することができる。   The current source inverter device of the present invention can be applied as a power source for supplying power to the plasma generator.

1 電流形インバータ装置
2 交流電源
3 出力ケーブル
4 プラズマ発生装置
10 整流部
20 スナバー部
30 電流形降圧チョッパ部
40 多相インバータ部
41 インバータ回路
42 インバータ回路
50 多相変圧部
51 3相変圧器
60 多相整流部
70 共振回路
71 共振回路
72 共振回路
80 制御回路部
81 スイッチング制御部
90 配線インピーダンス
100 電流形インバータ装置
101 電流形降圧チョッパ回路
102 3相インバータ回路
103 3相変圧器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Current source inverter apparatus 2 AC power supply 3 Output cable 4 Plasma generator 10 Rectification part 20 Snubber part 30 Current source step-down chopper part 40 Multiphase inverter part 41 Inverter circuit 42 Inverter circuit 50 Multiphase transformer part 51 Three-phase transformer 60 Many Phase rectifier 70 Resonant circuit 71 Resonant circuit 72 Resonant circuit 80 Control circuit unit 81 Switching controller 90 Wiring impedance 100 Current source inverter device 101 Current source step-down chopper circuit 102 Three phase inverter circuit 103 Three phase transformer

Claims (10)

直流源を構成する電流形チョッパ部と、前記電流形チョッパ部の直流出力を複数のスイッチング素子の動作により多相の交流電力に変換する多相インバータ部と、前記電流形チョッパ部および前記多相インバータ部を制御する制御部と、前記多相インバータ部のスイッチング素子に共振電流を供給する共振回路を備え、
前記制御部は、
前記多相インバータ部のスイッチング素子間の転流時において、
相間で転流を行う転流元のスイッチング素子と転流先のスイッチング素子の駆動タイミングを制御することによって、
転流元の一方の相のスイッチング素子と転流先の他方の相のスイッチング素子が共にオン状態となる重なり区間を生成すると共に、
相間で転流を行う転流元および転流先のスイッチング素子において、転流元の一方の相のスイッチング素子、転流先の他方の相のスイッチング素子、および共振回路の閉回路を形成し、
前記共振回路の共振電流は、前記重なり区間において、転流元のスイッチング素子に対して逆バイアス方向に供給し、および、当該転流元のスイッチング素子に逆並列接続された転流ダイオードに対して順バイアス方向に供給することによって、当該転流元のスイッチング素子を前記重なり区間において零電流および零電圧とし、
転流元のスイッチング素子がオン状態からオフ状態への切り替わる時点における転流動作を零電流および零電圧で行うことを特徴とする、電流形インバータ装置。
A current source chopper unit constituting a DC source, a multi-phase inverter unit for converting a DC output of the current source chopper unit into multi-phase AC power by operation of a plurality of switching elements, the current source chopper unit and the multi-phase A control unit that controls the inverter unit, and a resonance circuit that supplies a resonance current to the switching element of the multiphase inverter unit,
The controller is
At the time of commutation between the switching elements of the multiphase inverter unit,
By controlling the drive timing of the commutation source switching element and the commutation destination switching element that perform commutation between phases ,
A switching element of one phase of the commutation source and a switching element of the other phase of the commutation destination both generate an overlapping section , and
In the commutation source and commutation destination switching elements that perform commutation between phases, a switching element of one phase of the commutation source, a switching element of the other phase of the commutation destination, and a closed circuit of the resonance circuit are formed,
The resonance current of the resonance circuit is supplied in a reverse bias direction to the commutation source switching element in the overlapping section, and to the commutation diode connected in reverse parallel to the commutation source switching element. By supplying in the forward bias direction, the switching element of the commutation source is set to zero current and zero voltage in the overlapping section,
A current source inverter device characterized in that a commutation operation at a time when a switching element of a commutation source is switched from an on state to an off state is performed with zero current and zero voltage.
前記共振回路は、前記多相インバータ部が変換する交流電力の相数と同数の電流供給端子を備え、
前記各電流供給端子、前記多相インバータ部を形成するスイッチング素子のブリッジ構成において相対するスイッチング素子の各接続端子に接続され
前記共振回路は、前記多相インバータ部のスイッチング素子間の転流時において、
転流先のスイッチング素子に接続された電流供給端子から共振回路内に電流を導入し共振電流を生成し、当該共振電流を転流元のスイッチング素子に接続された電流供給端子から前記閉回路に流すことにより、転流元のスイッチング素子に対して当該スイッチング素子の逆バイアス方向に共振電流を供給することを特徴とする、請求項1に記載の電流形インバータ装置。
The resonance circuit includes the same number of current supply terminals as the number of phases of AC power converted by the multiphase inverter unit,
Each of the current supply terminals is connected to each connection terminal of the switching elements facing each other in the bridge configuration of the switching elements forming the multiphase inverter unit,
The resonant circuit is at the time of commutation between switching elements of the multi-phase inverter unit.
A current is introduced into the resonance circuit from the current supply terminal connected to the switching element at the commutation destination to generate a resonance current, and the resonance current is transferred from the current supply terminal connected to the switching element at the commutation source to the closed circuit. 2. The current source inverter device according to claim 1, wherein a resonance current is supplied in a reverse bias direction of the switching element to the commutation source switching element by flowing the current.
前記共振回路は、前記電流供給端が形成する各端子間にそれぞれLC直列回路を備え、
前記多相インバータ部のスイッチング素子間の転流時において、
前記LC直列回路は、転流先のスイッチング素子の順電流を入力して共振電流を生成し、当該共振電流を転流元のスイッチング素子の逆バイアス方向に供給することを特徴とする、請求項2に記載の電流形インバータ装置。
The resonant circuit includes an LC series circuit between each terminal formed by the current supply end,
At the time of commutation between the switching elements of the multiphase inverter unit,
The LC series circuit receives a forward current of a switching element as a commutation destination, generates a resonance current, and supplies the resonance current in a reverse bias direction of the switching element as a commutation source. 2. The current source inverter device according to 2.
前記多相インバータ部は直流電力をn相の交流電力に変換するインバータであり、
前記共振回路は、前記共振電流が次にオン状態となる他のスイッチング素子に流れないための条件として、
前記共振回路を構成するLC直列回路のリアクタンスLおよびキャパシタンスCは、n相の多相インバータ部の駆動角周波数ωに対して、(L×C)1/2<1/(n×ω)であることを特徴とする、請求項3に記載の電流形インバータ装置。
The multi-phase inverter unit is an inverter that converts DC power into n-phase AC power;
The resonance circuit has a condition that the resonance current does not flow to another switching element that is turned on next.
The reactance L and capacitance C of the LC series circuit constituting the resonance circuit are (L × C) 1/2 <1 / (n × ω I ) with respect to the driving angular frequency ω I of the n-phase multiphase inverter unit. The current source inverter device according to claim 3, wherein:
前記多相インバータ部は直流電力をn相の交流電力に変換するインバータであり、
前記重なり区間の位相分θtは、
スイッチング素子間の短絡を防ぐための条件としてπ/2n>θtを満たし、
重なり区間内において転送元のスイッチング素子に流れる順方向電流を零に減少させるための条件としてsin(θt)>(多相インバータ部の相電流/共振電流の最大ピーク値)を満たすことを特徴とする、請求項1から4の何れか一つに記載の電流形インバータ装置。
The multi-phase inverter unit is an inverter that converts DC power into n-phase AC power;
The phase section θt of the overlapping section is
As a condition for preventing a short circuit between the switching elements, π / 2n> θt is satisfied,
It is characterized by satisfying sin (θt)> (phase current / maximum peak value of resonance current of the multiphase inverter section) as a condition for reducing the forward current flowing through the transfer source switching element to zero in the overlapping section. The current source inverter device according to any one of claims 1 to 4.
前記共振回路の共振電流の最大ピーク値は、多相インバータ部の各相の相電流値よりも大であることを特徴とする、請求項1から4の何れか一つに記載の電流形インバータ装置。   5. The current source inverter according to claim 1, wherein a maximum peak value of a resonance current of the resonance circuit is larger than a phase current value of each phase of the multiphase inverter unit. 6. apparatus. 電流形チョッパ部の直流出力を、多相インバータ部が有する複数のスイッチング素子の動作により多相の交流電力に変換する電流形インバータ装置の制御方法において
前記多相インバータ部のスイッチング素子間の転流時において、
相間で転流を行う転流元と転流先のスイッチング素子の駆動タイミングを制御することによって、転流元の一方の相のスイッチング素子と転流先の他方の相のスイッチング素子が共にオン状態となる重なり区間を生成すると共に
相間で転流を行う転流元および転流先のスイッチング素子において、転流元の一方の相のスイッチング素子、転流先の他方の相のスイッチング素子、および共振回路の閉回路を形成し、
前記重なり区間において、前記共振電流を、転流元のスイッチング素子に対して逆バイアス方向に供給し、当該転流元のスイッチング素子に逆並列接続された転流ダイオードに対して順バイアス方向に供給することによって、当該転流元のスイッチング素子を前記重なり区間において零電流および零電圧とし、
転流元のスイッチング素子がオン状態からオフ状態への切り替わる時点における転流動作を零電流および零電圧で行うことを特徴とする、電流形インバータ装置の制御方法。
In a control method of a current source inverter device that converts a direct current output of a current source chopper unit into multiphase AC power by operation of a plurality of switching elements of the multiphase inverter unit, commutation between the switching elements of the multiphase inverter unit At times
By controlling the drive timing of the commutation source and commutation destination switching elements that perform commutation between phases, the switching element of one phase of the commutation source and the switching element of the other phase of the commutation destination are both turned on. And generate an overlapping interval
In the commutation source and commutation destination switching elements that perform commutation between phases, a switching element of one phase of the commutation source, a switching element of the other phase of the commutation destination, and a closed circuit of the resonance circuit are formed,
In the overlapping section, the resonance current is supplied in the reverse bias direction to the commutation source switching element, and is supplied in the forward bias direction to the commutation diode connected in reverse parallel to the commutation source switching element. By setting the commutation source switching element to zero current and zero voltage in the overlapping section,
A control method for a current source inverter device, characterized in that a commutation operation at a time when a commutation source switching element switches from an on state to an off state is performed with zero current and zero voltage.
前記多相インバータ部はスイッチング素子のブリッジ構成と、当該ブリッジ構成において相対するスイッチング素子の接続端子間に接続した共振回路とを備え、
前記スイッチング素子間の転流時において、転流先のスイッチング素子への電流を前記共振回路に導入して共振電流を生成し、
前記重なり区間において、当該生成した共振電流を転流元のスイッチング素子に対して当該スイッチング素子の逆バイアス方向に供給することを特徴とする、請求項7に記載の電流形インバータ装置の制御方法。
The multi-phase inverter unit includes a bridge configuration of a switching element and a resonance circuit connected between connection terminals of the switching elements facing each other in the bridge configuration.
At the time of commutation between the switching elements, a current to the switching element at the commutation destination is introduced into the resonance circuit to generate a resonance current,
8. The method of controlling a current source inverter device according to claim 7, wherein the generated resonance current is supplied in a reverse bias direction of the switching element to the commutation source switching element in the overlapping section.
前記多相インバータ部は直流電力をn相の交流電力に変換するインバータであり、
前記重なり区間の位相分θtは、
スイッチング素子間の短絡を防ぐための条件としてπ/2n>θtを満たし、
重なり区間内において転送元のスイッチング素子に流れる順方向電流を零に減少させるための条件としてsin(θt)>(多相インバータ部の相電流/共振電流の最大ピーク値)を満たすことを特徴とする、請求項7又は8に記載の電流形インバータ装置の制御方法。
The multi-phase inverter unit is an inverter that converts DC power into n-phase AC power;
The phase section θt of the overlapping section is
As a condition for preventing a short circuit between the switching elements, π / 2n> θt is satisfied,
It is characterized by satisfying sin (θt)> (phase current / maximum peak value of resonance current of the multiphase inverter section) as a condition for reducing the forward current flowing through the transfer source switching element to zero in the overlapping section. The control method of the current source inverter device according to claim 7 or 8.
前記共振回路の共振電流の最大ピーク値は、多相インバータ部の各相の相電流値よりも大であることを特徴とする、請求項7から9の何れか一つに記載の電流形インバータ装置の制御方法。   10. The current source inverter according to claim 7, wherein a maximum peak value of a resonance current of the resonance circuit is larger than a phase current value of each phase of the multiphase inverter unit. 10. Control method of the device.
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